고전압 DC/DC 모듈 설계 시 고려 사항

응용 분야에서 콤팩트한 분리형 고전압 전원을 요구하는 경우 올바른 DC/DC 컨버터를 선택하는 것은 중요한 설계 과제입니다. 컨버터는 정확하고 안정적이며 조정 가능한 출력 전압을 보장하면서, 신뢰성 및 안전성에 영향을 미칠 수 있는 다양한 전기적 및 환경적 부담 요소를 견딜 수 있어야 합니다.

고전압 DC/DC 컨버터의 성능 사양은 문서상으로는 우수해 보일 수 있지만, 진정한 테스트는 모듈이 물리적 제품에 통합되어 실제로 배치된 이후에 시작됩니다.

DC/DC 컨버터를 평가하고 통합하는 방법을 이해하면 시제품 제작 및 생산 라인으로의 전환에서 성공을 보장하는 데 큰 도움을 줄 수 있습니다.

고전압 DC/DC 컨버터는 분석 기기, 반도체 공정, 의료 진단, 과학 연구와 같은 응용 분야에서 중요한 역할을 수행합니다. 고전압 모듈을 중요한 장기적 응용 제품에 통합하려면 다음과 같은 특정 기준을 충족해야 합니다.

• 질량 분석법 및 영동 분석법은 정확한 화학 분리 및 감지를 위해 안정적인 저잡음 고전압을 필요로 합니다.
• 웨이퍼 제조 공정 중 정전 척(chuck)은 실리콘 또는 유리 기판을 고정하기 위한 정밀한 전압을 필요로 합니다.
• 스캐닝 전자 현미경(SEM)은 빔 제어 및 이미지 선명도를 위해 고도로 안정적인 바이어스를 사용합니다.
• 광전자 증배관(PMT)에는 측정 및 광자 감지에서 잡음을 피하기 위해 안정적인 바이어스와 리플 없는 전압이 필요합니다.
• 커패시터 충전 회로는 조절기의 고속 전류 제한 및 아크 보호의 이점을 활용합니다.
• 의료용 진단 도구는 피분석물(대상 기판) 감지 또는 치료적 제어를 위한 고전압 모듈레이터를 사용하므로 신뢰성 및 안전성이 요구됩니다.

대표적인 솔루션으로 XP Power의 고전압 DC/DC 컨버터 모듈인 HRC05 계열(그림 1)을 들 수 있으며, 정밀한 전압 조절 성능과 구현 용이성 사이에서 균형을 이루는 콤팩트한 5W 버전으로 이러한 요구를 충족합니다.

그림 1: 조절된 5W 고전압 DC/DC 컨버터인 HRC05 계열의 폼 팩터(이미지 출처: XP Power)

모듈 요구 사항

콤팩트한 기기를 설계하거나, 센서 실험을 하거나, 새로운 영상 시스템을 제작하는 경우 이러한 모듈이 어디에 적합한지 이해하면 이를 효과적이고 창의적으로 적용하는 데 도움이 됩니다. HRC05 계열은 제품 설계자에게 고도로 통합된 솔루션을 제공하지만 이를 효과적으로 사용하려면 여러 설계층의 세부 정보에 주의를 기울여야 합니다.

XP Power의 HRC0524S6K0P 및 HRC0524S6K0N 모델을 검토하면 설계 옵션을 확인할 수 있습니다. 이 두 모델은 거의 동일한 전기적 및 기계적 특성을 가지지만 극성은 반대입니다. 공통된 특성에는 다음이 포함됩니다.

• 입력 전압: 22V_DC ~ 30V_DC(공칭 24V_DC)
• 출력 범위: 0V ~ ±6,000V 프로그래밍 가능(0V ~ 5V 제어 핀 사용)
• 최대 출력 전류: 0.83mA(5W)
• 폼 팩터: 콤팩트한 SIP 패키지(64.8mm × 33mm × 15.2mm)
• 온도 범위: -40°C +70°C
• 보호: 단락, 아크, 과부하, 입력 부족 전압/과전압, 열 차단
• 절연: 입력-출력 5.2kV_DC

중요한 차이는 출력 극성에 있습니다. HRC0524S6K0P는 0V ~ +6,000V의 양의 고전압 출력을 제공하고, HRC0524S6K0N은 0V ~ -6,000V의 음의 고전압 출력을 제공합니다.

극성 선택은 최종 응용 분야에 따라 달라집니다(그림 2). 예를 들어, 광전자 증배관(PMT) 및 정전 척에는 전자를 당기거나 기판을 제자리에 고정하기 위해 음의 바이어스가 필요한 경우가 많습니다. 반대로 압전 액추에이터, 커패시터 충전 회로 또는 이온 광학 시스템에는 양의 전압 스윙이 필요할 수 있습니다.

그림 2: HRC05 계열은 중요한 분석, 의료, 반도체, 감지기 응용 분야에 적합할 수 있습니다(이미지 출처: XP Power).

이 두 모듈은 동일한 기계 풋프린트 및 제어 동작을 가지므로 다양한 변형을 가진 제품 플랫폼 또는 제품군을 설계할 때 유용할 수 있습니다. 설계자는 기판 레이아웃을 변경하지 않고도 극성을 반대로 전환할 수 있으며, 전기 연결 및 응용 논리만 변경하면 됩니다.

극성을 잘못 연결한다고 해서 반드시 모듈이 손상되는 것은 아니지만 정교하게 설계된 제품의 효율성을 떨어뜨릴 수 있습니다. 컨버터가 작동하는 것처럼 보여도 실제로는 기능을 수행하지 않거나 부정확한 측정 결과를 제공할 수 있습니다.

부하의 전기 요구 사항을 이해하는 것은 전압 또는 전력 사양을 충족하는 것만큼 중요합니다. 응용 분야에 따라 필요한 전압 및 극성을 모두 명확하게 정의해야 합니다.

고전압 전력 컨버터의 정확도

고전압 시스템에서 출력 정확도는 중요한 성능 요소입니다. 작은 전압 오차나 리플도 전체 시스템의 성능을 떨어뜨릴 수 있습니다.

XP Power의 HRC05 계열은 아날로그 인터페이스를 통해 출력 전압을 제어하는 간단한 방법을 제공하므로 설계 간소성 및 유연성을 향상시킵니다. VIN_CTRL 핀에 인가된 0V ~ 5V 신호는 0V ~ 모듈의 최대 정격 전압(즉, 2kV ~ 6kV) 사이에서 출력을 선형적으로 프로그래밍합니다.

이에 버금가게 중요한 요소는 출력 안정성입니다. HRC05 계열은 일반적으로 전체 출력 스케일의 0.5% 미만의 리플을 유지하며, 이는 대부분의 아날로그 프런트 엔드, 바이어스 전원 공급 장치, 센서 회로에 충분한 크기입니다. 특히 광학 또는 미세 신호 감지가 수반되는 많은 시스템에서 이러한 낮은 리플은 측정값이 정확한지 또는 잡음이 심해 사용이 불가능한 결과인지를 구분하는 요소가 됩니다.

그러나 고정밀 응용 분야의 경우 개방 루프 제어만으로는 충분하지 않을 수 있습니다. 이런 경우, 종종 외부 보정이나 심지어 폐쇄 루프 제어 방식을 구축해야 할 수도 있습니다. 예를 들어, 고저항 전압 분배기는 출력을 ADC에 안전한 수준으로 낮춘 다음 마이크로 컨트롤러에 피드백을 제공할 수 있습니다. 이 피드백 루프는 이제 온도 또는 부하 조건이 변동되어도 정밀한 목표 전압을 유지하도록 VIN_CTRL 신호를 동적으로 조정할 수 있습니다.

결과적으로 HRC05 계열 모듈을 선택하면 정밀한 설계를 위한 탄탄한 기반이 제공되지만, 그 정밀도가 얼마나 잘 유지되는지는 전체 시스템 내에서얼마나 신중하게 구현되었는지에 달려 있습니다.

고전압 회로 기판 선택 시 고려 사항

XP Power의 HRC05 계열과 같은 고전압 DC/DC 컨버터를 회로 기판에 통합할 경우, 저전압 또는 디지털 시스템에 대해 일반적이지 않은 레이아웃 세부 사항을 고려해야 합니다.

고전압 설계 시 경우에 따라 다음과 같이 미묘할 수도 또는 명확하게 드러날 수도 있는 다양한 문제가 제시됩니다. 이러한 문제는 설계 초기에 처리하지 않을 경우 성능과 안정성 모두에 영향을 미칠 수 있습니다.

• 저전압 회로망에서의 적절한 연면 거리 및 공간 거리
• 고전압 영역에 접지면을 배치하지 않음
• 회로 기판의 패드에 날카로운 모서리가 생기지 않도록 방지
• 고저압 부근에서 실크 스크린을 사용하지 않음
• 고전압 영역에서 도금된 구멍을 사용하지 않음
• 격리를 위해 기판에 슬롯 제공(필요한 경우)
• 컨포멀 코팅 및 기타 절연 재료(사용 가능한 경우)

추가적으로, PCB의 고전압 측에서 컨버터 부근에 사용되는 부품을 선택하는 것은 까다로운 작업일 수 있습니다. 다음과 같은 몇 가지 사항과 주요 사양을 고려해야 합니다.

• 전압, 전류, 출력 정격
• 부품의 부하 경감
• 온도 계수
• 열 성능

PCB에서 충분한 연면 거리와 공간 거리를 보장하는 것 외에도, 설계자는 특히 고습도나 오염에 취약한 환경에 모듈을 통합할 경우, 컷아웃이나 컨포멀 코팅과 같은 절연 개선 사항을 고려해야 할 수 있습니다.

고전압을 위한 설계는 단순히 전기적 사양을 충족하는가에 대한 문제가 아니라, 기판의 물리적 특성과 응용 시 발생하는 전기적 응력과의 상호 작용하는 방식을 이해하는가에 대한 문제입니다. 적절하게 배치된 기판은 HRC05 모듈이 안정적으로 안전하게 그리고 제품의 수명에 대한 사양 내에서 작동하도록 보장합니다.

최종 제품 통합

고전압 모듈 선택은 가장 중요한 단계입니다. 제품을 안전하고 신뢰할 수 있으며 비용 효과적인 방식으로 통합하려면 전기적 및 물리적 설계 고려 사항에 대해 세심한 주의를 기울여야 합니다. XP Power의 HRC05 계열은 콤팩트하고 안정적인 모듈이지만, 중요 응용 제품의 요구 사항을 충족하려면 여전히 신중한 시스템 통합이 필요합니다.

특히 공간 제약적 제품이나 휴대용 제품에서는 모듈의 높이를 고려하고 주변의 전도성 표면으로부터 적절한 격리를 보장해야 합니다. HRC05 모듈은 약 64.8mm × 33.0mm × 15.2mm 크기의 완전 밀폐된 SIP에 내장되어 있습니다. 이 모듈은 PCB 핀을 통해 세로로 실장되므로, 기판 공간을 보존하는 데 도움을 주면서 고전압 핀 주면의 연면 거리와 공간 거리를 개선합니다.

SIP 패키지는 뜨거운 부품이 기판에 접촉하는 것을 방지함으로써 열 관리를 간소화합니다. 그러나 설계자는 해당 장치가 특히 더운 환경에서 5W 출력 한계에 가까운 조건에서 작동하는 경우, 충분한 공기 흐름이나 수동 냉각이 확보되도록 해야 합니다.

VIN_CTRL 핀은 주요 제어 인터페이스로 작동하며, 0V ~ 5V의 아날로그 신호를 이용해 출력 전압을 모듈 정격 출력의 0% ~ 100%까지 선형적으로 설정할 수 있습니다(예: 0kV ~ 6kV). 이러한 설계 덕분에 HRC05 모듈은 마이크로 컨트롤러의 DAC나 아날로그 제어 루프와의 통합에 적합한 선택지가 됩니다. 또한 이 모듈은 VOUT_MON(스케일된 전압 피드백)과 IOUT_MON(비례 전류 출력)과 같은 모니터링 출력 기능도 제공합니다. 이러한 출력을 통해 시스템은 컨버터 성능을 모니터링하고 보호 또는 보정 일정을 구현할 수 있습니다.

정밀 응용 분야에서는 설계자가 펌웨어를 통해 루프를 폐쇄하도록 선택할 수 있습니다. 이러한 접근 방식에는 VOUT_MON 및 IOUT_MON의 ADC 판독값을 기반으로 제어 신호를 연속으로 조정하는 과정이 필요합니다. 이를 통해 시스템은 다양한 부하에서 안정성을 유지할 수 있습니다.

HRC05 계열은 5.2kV_DC의 입력-출력 분리를 제공하여, 저전압 제어 회로망을 고전압 위험 요소로부터 보호합니다. 이 계열은 또한 기본 절연 요구 사항을 충족하므로, 다양한 산업 및 과학 분야에 적합합니다. 그러나, 강화된 또는 이중 절연 기능이 의무적인 의료용 환자 연결 장비에는 적합하지 않을 수 있다는 점에 유의해야 합니다.

HRC05 계열에는 EMI 필터링 기능이 내장되어 있지 않습니다. 그러므로, 시스템 수준의 EMC 테스트를 통과하기 위해 설계자는 입력 필터링(예: π-필터 또는 공통 모드 초크)을 추가하고 고전압 부하의 특성에 따라 출력 스너빙 또는 저항성 부하를 고려해야 합니다.

결론

콤팩트한 시스템에 고전압 기능을 통합하려면 모듈의 성능뿐만 아니라, 레이아웃 및 열 관리부터 필터링 및 신호 제어에 이르는 설계자의 세심한 통합 역량이 매우 중요합니다. XP Power HRC05 계열 고전압 DC/DC 컨버터는 정밀하고 안정적이며 신뢰할 수 있는 고전압 전력을 요구하는 응용 분야를 위한 최첨단 솔루션을 제공합니다. 프로그래밍 가능한 출력, 뛰어난 조절 기능, 강력한 보호, 콤팩트한 설계를 갖춘 HRC05 계열은 의료, 산업, 과학 분야의 미니어처 패키지에 최적인 솔루션입니다.