NCH6100HV 辉光管高压升压模块 | Nixie Power Supply

辉光管绚丽的色彩源自辉光气体放电效应,但辉光气体放电的必要条件就是高电压,故很多喜爱辉光管的朋友在制作辉光管应用之前,往往止步于这个如何产生高压的问题;
从我最早的QS30-1辉光管时钟作品,到最新的IN-14辉光钟v2版一路走来,曾设计和更新了多种DC-DC高压升压电路;这一次,我把升压电路单独封装成高压升压模块,为各种不同电压和电流应用需求提供了方便可靠的能量源;

NCH6100HV高压升压模块是一款专为荧光管、辉光管、电平指示管等高压用电设备设计的高效率直流至直流变换器,它采用高性能固定频率电流控制模式控制器为核心,内置精密陶瓷可调电位器,输入电压范围12-24v输出电压范围85-235v,并且具有外部控制引脚,能够方便的打开和关闭高压输出。
整个模块体积小巧,转换效率高,发热量低,并且带有免接线式输入/输出端子,使用方便,也可以使用标准的2.54mm间距插针将本模块方便的固定在其他电路板上。

先Show看一下整个模块的实物照片:

再看一下它的驱动能力:(下图为12颗前苏联产IN-18辉光管,阳极电压170v,阳极电阻6.8KΩ,符合IN-18推荐阳极电流4-6mA)

在介绍具体方案和性能特点之前,先看一下多角度细节图片:

NCH6100HV高压升压模块的体积很小,长度只有45mm,宽度37mm,最大厚度15mm
并且在PCB板上有两个对称的固定安装孔,直径2.2mm,在需要固定的场合可使用两颗M2的螺丝进行固定。

具体尺寸见下图:

和卡片在一起对比一下也许会更直观一些:

NCH6100HV高压升压模块使用也非常简单,电源输入端子为3Pin,分别是:

1. VIN – 电源正极(输入电压DC12V-24V);
2. SHDN – 外部控制引脚;
3. GND – 电源负极;

输出端子为2Pin,分别是:

1. HV – 高压输出正极(输出电压DC85V-235V);
2. GND – 高压输出负极;

应用连接方式见下图:

SHDN引脚为输出控制端,该引脚可以悬空,悬空状态下,默认始终打开输出。
将SHDN引脚接输入正极,或者接单片机高电平时,输出被关闭,具体参数请见下文。

并且为了能够更方便可靠的连接输入/输出线缆,我采用了免螺丝型PCB Terminal Strips
可使用AWG16至AWG22之间任意粗细的线缆,均能保证可靠连接。
只需要用螺丝刀将端子压下,然后将剥好的线缆斜插入端子孔内即可。

具体细节图片请见下图:

如果需要将该模块与PCB集成设计在一起,还可以不使用免螺丝行接线端子,改为使用标准2.54间距的排针。
具体应用见下图:

调节输出电压的时候也很简单,模块上搭载了一颗美国BOURNS的精密陶瓷可调电阻,直接使用一字螺丝刀进行调节即可。
顺时针旋转,则输出电压升高,最高235V输出;
逆时针旋转,输出电压减小,最低85V输出;

请见下图:

PCB板依旧是老风格,蓝色PCB基板+沉金工艺,并且用沉金字符标识了各个重要的名称和参数。
请见下图:

由于整体布局比较合理,布线也比较完美,只在Bottom Layer走了两条线,所以底层很大面积都做了铺地。
而且在底层空白的地方,我还将沉金二维码设计在了上面,有兴趣的朋友可以用手机扫一下,看看是什么内容 😉

见下图:

NCH6100HV高压升压模块的体积小,但性能却不差,输入电压范围DC12v – DC24v,经测试,10V的时候也能够正常工作。
输出电压范围DC85v – DC235v,而且在大多数工作状态下,可以达到80%以上的转换效率。

但必须注意的是,该模块不具备防反接功能,输入电压极性接反有可能烧毁,所以请认真确认输入电压的正负极。

具体技术指标见下表:

Step-Up升压电路方案其实很多,国内国外的芯片厂商都有在做,设计之初,研究过不少方案,也做了很多实验,测试过包括MAX1771和LT1619等高效Step Up DC-DC Controller,最终出于成本考虑,选择了ON Semiconductor(美国安森美)的一款高性能固定频率电流模式控制器

从系统框图来看,整个系统外围器件并不多,主要器件是外扩的Power MOSFETPower INDUCTOR
而且这颗DC-DC控制器最大的特点就是内置了Totem pole output stage,这让我想起了当时为了改进MC34063A升压方案而增加的用2N3904和2N3906组成的图腾柱。

看一下系统框图:

任何一种DC-DC Convertor最重要的性能指标之一就是转换效率-Efficiency
当然,转换效率的高低与Controller有很大的关系,但是除了主控之外,和外围器件的选型、质量、以及元器件布局、PCB布线也有非常大的关系

器件选型至关重要,尤其是电感、MOSFET和快速恢复二极管,还有外围的一些电阻电容。
在设计阶段会根据具体的设计目标形成一个理论上最优秀的选型参数,但实际电路搭建起来以后,要对这些器件的参数进行反复试验。

这个过程比较痛苦,往往几种器件的搭配可能形成几十种结果,要不停的试验和记录。单单MOS管就测试了5种型号,包括超超超低内阻的IRFS4229PbF,Rds只有42mΩ,不过在这里并不是Rds越低越好。

来看一下我的试验笔记吧,单单170V的测试数据就记录了不下100组:

经过若干次的反复测试,最终绘制几条常用输出电压的效率曲线:

1、输入电压DC12v,输出电压DC90v;
2、输入电压DC12v,输出电压DC170v;
3、输入电压DC12v,输出电压DC220v;

一般情况下,高压升压模块会在7×24小时的不间断工作状态下,所以稳定性和可靠性很重要,在元器件的选型方面这次均选用了业界知名品牌:

TDK的SLF12系列功率电感、SAMSUNG的片阻片容、SUMIDA的贴片电容、VISHAY的功率MOS、ON的DC-DC主控、BOURNS的精密陶瓷可调电阻、SANYO的电解电容、nichicon的高压电解电容、PANJIT的超快恢复二极管等等。

在电路原理图确定以后,最重要的事情就是处理元器件布局与PCB布线了。
例如:输入电容尽可能的靠近功率电感、Power MOSFET尽量短的靠近功率电感和快速恢复二极管,快速恢复二极管的负极尽量短的靠近输出电容等等。

经过不断的调整和设计,最终的器件布局和最终的实物样子可以直接通过3D模型看出来。
见下图:

电感的电感量大小主要由开关频率决定,而且大小也会影响效率、额定电流和电源纹波。而且同样电感量的电感器,铁氧体磁芯材质不同,线径不同,也会带来不同的测试结果。

目前选用的是TDK的SLF12575-47uH的功率电感,但是在做实验的时候,我几乎买了全系列的TDK SLF12565和SLF12575的电感,22uH\33uH\47uH\68uH\100uH,并且每一种都进行了带载测试。在12mm x 12mm这个体积下,实测12575-68uH的电感能够达到的效率最高,但在12v输入170v输出的情况下,输出电流达到30mA就开始有明显压降,此时功率电感已经达到了饱和状态。所以为了提高最大输出电流,后来牺牲了一点转换效率,选用了TDK的SLF12575-47uH的功率电感,12v输入170v输出的工作状态下,最高输出电流能达到55-60mA无压降。

请看实物照片:

电解电容的选型基于开关的频率,系统纹波的要求及输出电压的要求,而且电容内部的等效电阻ESR会严重影响输出纹波大小。

目前选用的输入电容是三洋的贴片电解电容,输出电容选用的是日本nichicon(尼吉康)高压贴片电解电容。
其中输入电容的容量为330uF,建议如果长时间使用该模块并且处于大电流放电状态,可以在输入端并联一个470uF以上容量的电解电容以提高输出效率和稳定性。

请看实物图片:

在实际的测试过程中,我使用了一台数字稳压电源和一台电子负载。

电源和电子负载均是ITECH(艾德克斯)的品牌,具体型号如下:

稳压电源:ITECH IT6800
电子负载:ITECH IT8512B+

其中IT8512B+的工作电压可达500V,分辨率能达到0.1mA,而且经过出厂较准,有校准报告,所以测试结果还是很准确的。

下面给出几组实际测试的照片:

 

除了采用电子负载进行测试以外,我还模拟了实际的使用环境。

搭建实际使用环境时,我采用了12颗前苏联产IN-18辉光管进行测试。

测试时,NCH6100HV高压升压模块的输入电压为DC12v,输出电压为DC170v。
每颗IN-18辉光管的阳极电阻为6.8KΩ,工作电流在IN-18的推荐工作电流范围4-6mA之内。

由此看来,NCH6100HV高压升压模块驱动其它型号的15-20只辉光管是没有任何压力的。
例如:QS30-1,QS27-1,QS18-12,SZ-8,IN-2,IN-16,IN-14,IN-8,IN-8-2等等。

再看一下实际测试时的照片:

NCH6100HV详细中文资料:

http://pan.baidu.com/share/link?shareid=936042801&uk=1057088184

NCH6100HV Datasheet in English:

http://pan.baidu.com/share/link?shareid=942813807&uk=1057088184

DIY是一种享受,享受的是过程,更是结果……
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作者:严泽远/Designer: YanZeyuan
E-mail: yanzeyuan@163.com
Website: http://www.nixieclock.org
QQ:6626209
2012-08-12

 

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