電源システム設計における柔軟性および構成可能性の本当の利点について
著者 Chris Jones, Marketing Director Embedded Power, Artesyn Embedded Technologies
2016-12-30
マルツ掲載日:2018-09-17
大きな電力要件（100W超）を持つエレクトロニクス製品の設計において、電源のタイプの選択は簡単に見えます。
設計チームには、3つの基本的な選択肢があります。
- ・固定の仕様を持つ標準部品。 標準部品は限られた範囲の仕様で利用でき、回路設計において最も一般的に指定される入力および出力をサポートします。
・電力、出力数、フォームファクタ、環境保護、その他の必要なパラメータについて、ユーザーの正確な仕様を満たす、完全なカスタム設計。
・コンフィギュラブルまたはプログラマブル電源。 コンフィギュラブル電源ユニットは、共通の基本ユニットに格納される適切なモジュールの選択により、広範な電源仕様をサポートでき、電源出力の数も変更できます。 プログラマブル電源では、ユーザーがどのモジュールについても入力および出力仕様を柔軟に微調整できます。
電源仕様に関する従来の思考法では、階層構造で意思決定を行います。
階層の最上位には、標準部品があります。 一般に、設計で標準部品が使用可能であれば、そうすべきと考えられています。 このような従来の考え方によれば、標準部品はあらゆる標準的な入力と出力の組み合わせについて、コスト、サイズ、効率の最適な組み合わせを実現するものです。
これは、標準部品が1つの入力または出力仕様だけに最適化されており、複数の顧客向けに大量生産されるため、スケールメリットがあるという理由です。
しかし、電源設計で必要な出力の組み合わせが標準部品では得られない場合、従来の階層における次の段階は、完全なカスタム部品です。この場合、設計チームは正確に必要な仕様を、性能、低い資材コスト、効率、その他顧客により要求される他のパラメータについて最適化した設計で実現できます。
しかし、完全なカスタムソリューションは、一部の製品開発プログラムには不適切です。 最も一般的な理由として、プログラムのライフタイムの価値が、カスタムソリューションの開発コストを正当化するほど大きくないこと、またはカスタム設計は市場投入までに長い期間を要することが挙げられます。
そこで、従来の決定フローでは最後の段階として、標準部品もカスタム電源ユニットも不適切であることが明確になったときのみ、コンフィギュラブル電源に到達します。 言い換えれば、コンフィギュラブル電源は実質的に設計者の最後の手段として扱われるわけです。
この記事では、ほとんどのプログラムマネージャや電源設計者は、最初のオプションとしてコンフィギュラブル電源を考慮すべきである理由を述べます。
コンフィギュラブル電源は最後の手段ではない？
コンフィギュラブル電源は、標準部品と完全なカスタムユニットの利点の一部を組み合わせたものです。
コンフィギュラブル電源を使用すると、設計チームはカスタム部品の場合と同様に、標準部品ではサポートされない正確な出力電源定格を指定でき、標準部品で一般的なシングルまたはデュアルよりも多くの電源出力をサポートできます。
コンフィギュラブル電源は、多くの標準モジュールの共通ベースユニットを組み立てて成形されます。
すなわち、完全なカスタム設計プロセスよりもはるかに短時間で構成プロセスが完了するため、標準部品と同様に短期間で市場投入が可能です。
また、コンフィギュラブル電源の総保有コストは、数量によりますが、同等の固定機能の標準部品や完全なカスタム設計と比べて、一般に競争力があります。
しかし、標準または完全なカスタム部品を使用できない場合のみ、コンフィギュラブル電源を選択すべきというのが従来の思考法です。
これは、エレクトロニクス製品の設計を考えると妥当に見えます。
・以前および今後の最終製品の設計と分断された、別のプロセス
・予測可能で簡単に管理可能なプロセス
設定の特定の部分について、これらの条件が適用される可能性があります。
しかし、多くの設計チームが作業する状況では、最終製品が進化して、製品ファミリの一部としてバリエーションを生み出し、また設計仕様（理論的には設計プロセスの開始時に固定されます）が現実には開発中に、市場や技術状況の変化により常に修正されます。
このような設計チームにとって、コンフィギュラブル電源の特性は極めて有用であり、電源の決定フロー階層の再編成を要求するに足るものです。
実際に、電源システム設計者は、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、FPGAなど、他の柔軟なデバイスタイプのユーザーと同じくらい、コンフィギュラブル電源やプログラマブル電源の利益を受けることができます。
将来の製品を見据えて：設計柔軟性の多くの利益
エレクトロニクス業界の最も注目すべき特徴はおそらく、より小さな回路要素を使用し、高速で動作させながら、消費電力と製造コストを引き下げることで、集積回路の基本的なテクノロジを継続的に改良し続ける能力でしょう。 ムーアの法則によれば、来年のデジタルロジックは去年のものよりも安価で、性能はより優れていることが予想されます。
このため、デジタルロジックがますます安価に、強力になるにつれ、従来はハードウェアのアナログ回路で行われていた制御ループ機能は、ますます広い範囲で（プログラム可能な）ソフトウェアで実装されるようになってきています。 デジタルデバイスにより実装されるソフトウェア制御は、設計者にとって2つの大きな利点があります。
・機能強化 - アルゴリズムを使用すると、アナログ回路で可能なものよりもはるかに洗練された、複雑な制御機能が可能になります。
・柔軟性 - ソフトウェアで実装された制御ループは、新しいコードをメモリへアップロードするだけで変更できます。このプロセスは製品開発の間に何回でも繰り返すことができます。 アナログデバイスに同じ変更を加えるには、回路の作り直しが必要です。 このため、デジタル設計仕様の修正、適応、拡張は、同等のアナログ設計よりはるかに簡単かつ迅速に行うことができます。
実際に、プログラム可能性とソフトウェア制御の利点は、基板間のエレクトロニクス設計のアーキテクチャに急速な変更をもたらし、従来は固定機能のASICやアプリケーション固有の標準部品（ASSP）が使用されていた部分に、FPGA、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラなどの柔軟でプログラム可能なデバイスタイプが大量に使用されるようになりました。
実のところ、この業界におけるプログラマブルまたはコンフィギュラブルなアーキテクチャへの動向には長い歴史があります。マイクロプロセッサテクノロジにおけるIntelの成功は、1970年代初期にFederico Fagginが、ビジネス用計算機の設計をハードウェアのASICではなく、計算機能をソフトウェアが実行する汎用マイクロプロセッサで実装することの利点を最初に理解したことから始まりました。
コンフィギュラブルまたはプログラマブルなデバイスタイプの柔軟性は、なぜそれほどに魅力的だったのでしょうか？
それは、設計チームが従事する変動性の環境において、その柔軟性が最も効果的な対応であったためです。
・製品のマーケティング担当者は、設計チームが開発している製品の仕様を、開発プロセスの途中で変更するのが普通です。
・コンポーネントの供給元は、性能が上昇し、機能が追加され、コストが低い新製品を発売し続けています。
・設計チームは、新しいテクノロジが利用可能になった後で、できるだけ早くその利点を活用するため、設計プロセスの途中で、さらには製品設計の完了後でも、頻繁に設計を変更します。
・OEMは、製品ファミリ間でIPおよび生産ツールの両方を再利用し、設計と製造のコストを抑えることを求めています。
・OEMは一般に、単一の基本製品に複数のバリエーションを用意して、各種の市場分野や各種の顧客要件に対応することを目指しています。
このような圧力は電源システムの設計にも、回路設計の他の要素と同様に影響を及ぼします。
それでは、電源でもデジタルロジックを使用して、電源設計者に必要な柔軟性が得られるでしょうか？
コンフィギュラブルおよびプログラマブル電源によって、どれだけの柔軟性が得られるのでしょうか？
柔軟な電源は、コンフィギュラブル電源ユニット（ArtesynのMPシリーズなど）または完全にプログラマブルな電源（ArtesynのiMPシリーズなど）の形で利用できます。 これら2つのタイプは、デジタルテクノロジをそれぞれ別の方法で使用し、設計の柔軟性をユーザーに提供します。
コンフィギュラブル電源はAC/DCのデジタル制御パワー変換フロントエンドと力率補正（PFC）で構成され、広範なモジュールの選択により、電圧および電流出力の必要な組み合わせを提供します。
出力値を変更するには、モジュールを別のものに置き換えます。基本ユニットのフットプリントと基板への接続は変化しません。
図1：コンフィギュラブル電源に含まれる、標準的なDSP制御の出力モジュールのブロック図
完全にプログラマブルな電源は、デジタルテクノロジを使用してAC/DCフロントエンドと各モジュールの両方を制御します。
この方法は、さらに柔軟で制御可能です。プログラマブル電源で提供されるソフトウェアインターフェースにより、設計者は電圧および電流出力を微調整できるだけでなく、過熱閾値やファンの速度など他の重要な機能も制御できます。
ArtesynのiMPプログラマブル電源では、各モジュールのパワー変換が完全にデジタル制御され、バッテリ充電ルーチンなどインテリジェントな電源スキーマの実装もサポートされています。
図2：ArtesynのiMPシリーズ プログラマブル電源のソフトウェアにより、ユーザーはシステムの状態をリアルタイムで監視できます
これらの高度な電源を使用することで、電源システム設計者は製品開発プロセスの途中、さらにその後も柔軟な対応が可能です。 適切な入力および出力パワーレンジを決定した後で、システム設計チームは電源のフットプリントと接続を考慮して基板レイアウトを実装でき、これらは製品のライフサイクルを通して変化しません。 出力の電圧や電流の値が変化した場合、または出力を追加する場合、適切なモジュールを選択するか、プログラマブル電源の場合にはデジタル制御ループのソフトウェア変更によりそれらの変更を実装できます。
モジュールは即座に交換可能で、基本ユニットのフットプリントは変わらないため、余分な設計時間は必要なく、非反復エンジニアリング（NRE）やツール調達のコストも発生しません。
生産中の完成した設計でも、電源プロファイルを変更するため修正を加えることができ、この場合もフットプリントは変化せず、工場で新しいツールを調達する必要はありません。
これに対して、固定仕様の標準部品を別の電源出力に変更しようとすると、一般に基板のレイアウトと端子を変更する必要があり、設計プロセスが大幅に延びて設計コストが増大します。 完全なカスタム電源の場合、この影響はさらに大きくなります。この場合、変更された仕様をサポートするために新たなNREの費用が必要となり、新しい電源の設計と製造による遅延も発生します。
電源システムの意思決定の階層に柔軟性が及ぼす影響
エレクトロニクスの設計技術者に、流動性と変更は付き物です。 柔軟で構成可能な電源により、設計者は変更に対して迅速に、決定的に、競争力のあるコストで対応できます。
結果として、今後の電源システムの設計者にとって、電源システムの意思決定フローの階層は変化していくでしょう。多くの設計者にとって、最初の決定は「柔軟な電源か、固定機能の電源か？」であり 「標準部品か、完全カスタムか？」ではなくなると考えられます。
設計チームが次のいずれかの条件に該当する場合、設計プロセスの最初の段階でコンフィギュラブルまたはプログラマブル電源を選択することが適切です。
1. パワーバジェットが不確定である
現在のところ、パワーバジェットの不確定性を管理するために受け入れられている方法は、過大に見積もることです。 従来のパワーバジェット推定プロセスでは、設計に含まれる各機能ブロックの電力要件を推定してから、それぞれに誤差を見越したマージンを加えます。 その後で各推定値を集計し、グローバルなパワーバジェットを計算します。このグローバルパワーバジェットにも、誤差を見越したマージンが加えられます。
結果として、完成した設計の実際の電力要件は、多くの場合に予測されたグローバルパワーバジェットよりも大幅に低くなります。 固定機能の電源を使用する場合、実際に必要なよりも大きな仕様のユニットを使用することになり、このユニットはより高価で、必要以上に大きくなる可能性もあります。
コンフィギュラブルまたはプログラマブル電源を使用すると、電源のフットプリントとフォームファクタを設計の開始時に固定しながら、出力電圧と電流の値は設計の間に何回でも変更できます。 このため、パワーバジェットに関する初期の不確定性にかかわらず、設計チームは最終的な電源ユニットについて最適な電源性能、効率、コストの組み合わせを実現できます。
2. マーケティング仕様が不確定である
顧客の要求と希望は常に変化し続けます。 新しい市場インテリジェンスにより、顧客が本当は何を望んでいるのかについて、新たな見通しが得られることもあります。 新たに発表された部品により、顧客が求めるような新機能が可能になることもあります。
このような理由から、製品のマーケティング担当者は、OEM設計チームに対して設定した仕様を、最終製品の開発が開始された後からでも変更する可能性があります。 場合によっては、このような変更により電源の要件が変化することがあります。
コンフィギュラブル電源を使用すると、設計チームはマーケティング仕様の変更にただちに対応でき、カスタムユニットの仕様変更や標準部品の交換によるNREや設計のコストは発生しません。 結果として、OEM設計プロセスでは、顧客の要求をより的確に拾い上げ、顧客の要件の変化へ迅速に対応できるようになります。
3. 将来の製品変更が不確定である
一般的な最終製品マーケティング戦略では、共通のプラットフォームを基盤として、複数の製品拡張機能が求められます。 これによって、IPや生産用ツールを再利用しながら、市場の各区分の要求を満たし、それぞれの市場区分の顧客向けに製品を最適化できます。
しかし、プラットフォーム製品について、いくつのバリエーションが必要でしょうか？ 機能を限定した低コストバージョンや、より機能を増やした付加価値バージョンが必要でしょうか？
プラットフォーム製品の設計時に、これらの疑問への回答が与えられていることは稀です。 したがって、基本製品の各派生バージョンの電源要件も、前もって知ることはできません。
コンフィギュラブル電源を使用すると、OEM設計者はこのような不確定性を見越して、単一の基板レイアウトと電源フットプリントで、広範な電源要件を満たすことができます。 これにより、固定のベースユニット内でモジュールを変更するだけで、各種の電源要件に対応できるようになります。
その結果、設計チームは製品の各バリエーション用に最適化された電源システムを迅速に、競合力のあるコストで実装でき、顧客の様々な要求へ的確に対応できるようになります。
柔軟な電源の使用から得られる主な利点
この記事では、設計チームが柔軟な電源と固定機能の電源のどちらを選択するかという問題を、決定フローの先頭に格上げすべきであるという主張について説明しました。
その後で、一部の設計チームは、同等な標準部品がより安価で、チームの当面の要求を満たす場合でも、コンフィギュラブル電源の使用を選択することを説明しました。 これらのチームは、コンフィギュラブル電源を使用することにより得られる柔軟性が、多少のコスト増大よりも大きな価値があると考えています。 製品のライフサイクルにおいて多くの設計チームは、コンフィギュラブル電源を選択することが、標準部品に頼るよりも最終的に低コストであることに気付くでしょう。
部品表コストの削減
電源の仕様を設計の要件に応じて指定でき、変更や推定誤差を見越したマージンを含めて過大に見積もる必要はありません。
市場投入までの期間短縮
標準部品や完全なカスタム電源のユーザーは、電源の変更に伴い、基板レイアウトの再設計や生産用ツールの調達に時間を費やすことになりますが、コンフィギュラブル電源のユーザーは固定のベースユニット内でモジュールを交換するだけです。
図3：柔軟な電源の利点
設計コストの低減
電源の要件が変化しても、基板のレイアウトや端子は変化しません。
顧客に強くアピールする優れた設計
コンフィギュラブル電源のユーザーは、より多くの、より多様な機能を持つ製品バリエーションを開発し、市場の各区分に対してより強くアピールできます。 製品のバリエーションを製造するとき、新しい電源仕様に合わせるため基板レイアウトを刷新したり、新しい生産用ツールを用意したりする必要はありません。 電源モジュールを交換するだけで、即座に変更が完了します。
Artesyn Embedded Technologiesから利用可能なコンフィギュラブル電源およびプログラマブル電源
Artesynは、コンフィギュラブルと完全プログラマブルの、両方の電源を供給しています。
μMPシリーズ
Artesyn μMPシリーズ（MicroMP）コンフィギュラブル電源は、高密度の1Uタイプ電源で、400W～1800Wの電源要件をサポートしています。 µMPシリーズのコストはコンフィギュラブルでない電源とほぼ同等で、市場でも最高の密度、効率、信頼性を実現しています。
図4：Artesyn製のMicroシリーズ コンフィギュラブル電源
Artesyn µMPファミリはEN60950 ITEおよびEN60601（医療用）の完全な安全性認定を受けており、最大12の出力、スマートファン制御、およびファンの速度、温度、出力電圧、出力電流などのパラメータ監視を行います。
読み出し値はデバイスのI2Cインターフェースで、業界標準のPMBus™プロトコルにより転送されます。
iMPシリーズ
すべてのArtesyn iMPシリーズ AC/DCコンフィギュラブル電源は完全にプログラマブルです。 ケースと個別の電源モジュールの両方にマイクロコントローラが内蔵され、最大限に柔軟な制御が可能です。ホストコントローラと電源との通信はすべて、PMBusプロトコルにより処理されます。
図5：Artesyn製のiMPシリーズ コンフィギュラブル電源
iMPシリーズ コンフィギュラブル電源モジュールのセットアップは非常に簡単です。 すべてのiMPシリーズ コンフィギュラブル電源には制御ソフトウェアが付属しており、あらゆる標準的なPCとMicrosoft Windows®上で実行でき、使いやすいグラフィカルユーザーインターフェースで操作できます。
すべてのモジュールとすべての動作パラメータについて、同じ制御画面が使用されます。 設計者は、モジュールの出力電圧および電流を定義し、OVP、UVP、OTP制限を簡単に調整し、OCPモードと制御信号を変更し、必要ならファンの速度をオーバーライドすることもできます。
図6：Artesyn Embedded Technologies製のiMPシリーズ プログラマブル電源のデジタル制御は、過電圧保護、過電流保護、過温度保護などのパラメータの構成にも及びます
iVS™シリーズ
Artesyn iVS™シリーズ モジュール式AC/DC電源は、最大4920Wの出力の大電力アプリケーションをサポートします。 ユーザーは、iVSユニットに搭載されているI2Cインターフェースを使用して、電源の多くの属性を監視および制御できます。
図7：4920ワットまでのアプリケーションをサポートする、ArtesynのiVSシリーズの例
このシリーズには7種類のモジュールがあり、シングル、デュアル、トリプル出力のユニットが含まれており、出力ごとに最大1500Wを供給できます。iVSシリーズは2VDCから60VDCまで25種類の標準出力電圧で、最大24の出力を提供します。 モジュールを並列または直列に接続することで、最大970Aの電流と、最高500Vの電圧を実現できます。
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