オープンフレームAC/DC電源を使用して最適な結果を得る方法
著者 Bill Schweber 氏
Digi-Keyの北米担当編集者 の提供
2021-09-15
マルツ掲載日：2022-01-10
AC/DC電源は、「オフライン」電源と呼ばれることもあり、照明、ディスプレイ、情報技術、産業アプリケーションなどに広く使用されています。電池のみで駆動するシステムを除き、ほとんどの電子システムの標準的な構成ブロックとなっています。
これらの電源バージョンは、OEMシステムに組み込むためのオープンフレームユニットとして、基本的なエンクロージャなしのプリント基板として提供され、必要となる全体的なエンクロージャは最終製品のパッケージに依存します。これらの電源は、幅広いACライン電圧で動作し、出力電圧、電流、電力の多くの組み合わせを提供しています。
機能的には充実しており、使い方も比較的簡単なのですが、使用する際にはデザインインにおける考慮事項がいくつかあります。これには、次のようなものが含まれます。
・電気的安全性/規制
・熱管理とディレーティング
・電磁両立性
この記事では、XP Powerのオープンフレーム電源とLCE80ファミリの対流冷却型80W電源について、これらの考慮事項を検証します。
電源：開発か購入か
歴史的に見ても、これらの電源を選択する必要性に迫られたとき、最初の質問の1つは「開発すべきか、購入すべきか」でした。その理由は、機能する基本的な100W未満の電源を1台または数台設計・製造することは、少なくとも原理的には難しくないからです。
しかし、それを実際に行うとなると、はるかに複雑で多面的な状況となり、以下のような設計や構造が必要になります。
・ACラインのハイ/ロー、過渡性能、温度範囲など、すべての動作条件で仕様通りに動作する
・過電圧保護、不足電圧ロックアウト、サーマルカットオフなど、必要な保護機能を備えている
・安全性、効率性、静止電力など、世界各国の複雑な規制を意識して対応している
・さまざまな衝撃や振動の要件に対応している
・性能をテスト、検証、認証する計画を含んでいる
現実には、この分野で経験を積んだ熟練のエンジニアチームでさえ、合理的な時間内に、許容可能な初期開発費(NRE)、部品表(BOM)、製造のセットアップ、テスト・認証のコストで設計を成功させることは、非常に困難です。
標準品では満足できない場合でも、ほとんどのAC/DC電源ベンダーは、多くの技術的および規制的要件を取り入れながら、標準品を独自の要件に合わせて変更するカスタマイズサービスを提供しています。
オープンフレームの導入から開始
オープンフレーム電源とは、LCE80ファミリのように、基板のみで構成され、1つの完全なコンポーネントとして機能するものの呼称です(図1)。最終機器に取り付けられ、その最終製品が電源の物理的/電気的な保護エンクロージャを提供します。
オープンフレーム電源は、設置の柔軟性、優れた性能、規制基準や義務への準拠、コスト効率の良さを兼ね備えたソリューションであるため、設計チームは残りのシステム設計とその差別化に、より集中することができます。
図1：LCE80シリーズの80Wオープンフレーム電源は、必要な部品をすべて1枚のプリント基板に実装しています。(画像提供：XP Power)
オープンフレーム電源は、通常はアルミニウム製のU字型シャーシに電源回路基板を搭載して「Uチャンネル」と呼ばれる、広く普及しているAC/DC電源とは異なります(図2)。XP Powerが提供する100W電源VCS100US12が、その好例です。
また、シャーシには、装置メーカーが電源を最終組立品に取り付けるための複数のオプションが用意されており、多くの場合、電気的/物理的な保護を提供する取り外し可能なカバーが含まれ、空気流のための穴が開けられています。
図2：100WのUチャンネル電源VCS100US12には、取り外し可能な保護カバーが付いています。(画像提供：XP Power)
オープンフレーム電源は完成した製品で、すぐに使用することができますが、電気的安全性や規制上の問題、熱性能と限界、設置と電磁両立性(EMC)などに関する考慮事項があります。
●電気安全/法令遵守
オープンフレーム電源のユーザーは、クリアランスと沿面距離の要件に注意する必要があります。クリアランスとは、2つの導電性部品の間にある空間の最短距離を意味し、沿面距離とは、2つの導電性部品の間で固体絶縁材料の表面に沿った最短距離を意味します(図3)。
この2つの要素に必要な最低値は、電源電圧のほか、高電圧ノードの周囲やノード間の表面に存在する埃や湿気などの粒子状物質によって予想される汚染などの動作条件に左右されます。
図3：回路基板の設計では、2つの導電性部品の間にある空間の最短距離であるクリアランスと、2つの導電性部品の間で固体絶縁材料の表面に沿った最短距離である沿面距離の最小寸法を満たす必要があります。(画像提供：Altium Limited)
また、電源はエンドアプリケーションに応じて、いくつかのIECクラスに分けられています。
・クラスI： 電気ショックからのユーザー保護を絶縁と保護グランドの組み合わせによって実現
・クラスII： 電気ショックからのユーザー保護を2つのレベルの絶縁によって実現(二重または強化型)
クラスIのシステムでは、エンドアプリケーションが産業用か医療用かに応じて、接地された金属部品と電源の一次部品の間に3mmまたは4mmの距離が必要です。このため、オープンフレーム電源アセンブリの周囲に絶縁体を追加する必要があるかもしれません。クラスIIの電源は、より大きな沿面距離とクリアランスを必要とする場合があります。
クラスIの電源を使用する場合、電源への安全グランド接続は電気システムに不可欠な要素であり、装置の安全グランドにしっかりと接続する必要があります。また、アセンブリへのアース接続が複数必要になる場合があり、これが電気的なエミッションや感受性の性能に影響します(詳細は後述します)。
オープンフレーム電源、Uチャンネル電源ともにヒューズを内蔵しており、医療機器の用途では2個のヒューズが必要です。
通常、ヒューズは恒久的に電源に取り付けられており、現場での交換を意図して設計されていません。ヒューズが作動する(開く)唯一の理由は電源の故障であり、システムを再び使用する前に修理または交換する必要があるためです。また、相互接続ケーブルや接続部、電源とは無関係の他の回路などを問題から保護するために、システム全体のヒューズに関する追加要件がある場合もあります。
●熱管理とディレーティング
熱は、部品の疲労や、熱サイクルによる破壊のような応力誘起故障の主な原因となるため、すべての電子システムにおいてよく知られている問題です。電源の電圧定格や電流定格にかかわらず、設計者が最も気にするのは、その電源が供給する総電力(単位：ワット)です。
ベンダーは多くの場合、特定の最大供給電力定格に合わせて電源ファミリを設計し、それに合わせて電圧と電流の組み合わせを設定しています。たとえば、XP Powerが提供するLCE80シリーズはすべてのユニットの電力定格が80Wで、最低電圧のLCE80PS05は最大12Aで5V、最高電圧のLCE80PS54は最大1.48Aで54Vであり、その間には12V、15V、20V、24V、30V、36V、42V、48Vという8種類のDC出力オプションがあります。
入力電圧範囲は90～305VACで、90Vの低電圧でも全負荷に対応します。効率は90%に非常に近く、これは電源による消費電力がわずか8Wであることを意味します。残りの72Wは、システムに必要な電力として利用できます。
このファミリの製品サイズは、すべて101.6mm×50.8mm×27.9mmです。動作温度範囲は－40℃～+70℃で、フルパワーで使用できるのは－30℃(ACハイラインでは－40℃)～+50℃となっています。計算上の平均故障間隔(MTBF)は、MIL-HDBK-217Fに基づき、30万時間です。
このシリーズのすべてのユニットは、以下を含む多くの規制基準を満たしています(ただしこれらに限りません)。
・伝導や放射エミッションのEN55032クラスB。
・EMC耐性に関しては、EN55035、EN61547、EN61000-4-2/3/4/5/6/8/11。
・50W以上の負荷に関しては、EN61000-3-2高調波電流クラスC。
・安全性承認としては、CB IEC62368-1(ITE)、IEC60950-1(ITE)、UL62368-1(ITE)、TUV EN62368-1(ITE)、EN61347(照明機器)、UL8750(照明機器)。
発生した熱をどのように管理するかを左右するため、電源の効率が重要です。オープンフレーム電源は、受動的な対流、能動的な強制送風(ファン)、またはその両方を組み合わせて冷却することができます。多くの設計者は、ファンを使用せず、受動的な空冷のみで定格通りに機能するように設計された電源を選択することを好みます。その理由には、以下などが挙げられます。
・直接的なBOMコストを削減し、製品の組み立て時間を短縮することができます。
・故障した場合には過熱を引き起こし、電源の寿命を大幅に縮めてしまう可能性があるファンをなくすことができます。
・通常は周囲温度を感知して行う、ファンの回転数や動作管理に伴う問題を回避することができます。
・多くの場面で重要な要素となる静粛性が明らかに向上します。
・エンドユーザーが意図せずにファンの入口または出口を塞いでしまい、過熱の問題を引き起こす可能性を回避することができます。
つまり、ファンが不要になることで、システム全体の信頼性が大幅に向上し、機械設計が容易になり、コスト削減にもつながります。ファンレスを実現するためには、電源のデータシートを見て、記載された仕様を満たすために強制空冷が必要なのか、それとも受動的な対流だけで十分なのかを確認する必要があります。
これには、ベンダーがすべての仕様に対する性能を保証する最大温度や、閾値温度を超えたときに出力電力がどの程度低下するかを示すディレーティング曲線の確認が含まれます。適切に設計された電源は、50℃の周囲温度と最低90VのAC入力まで、定格電力を維持します。
対照的に、一部の製品では「目玉となる」電力定格を売り込んでいますが、低ACラインではすぐに最大20%のディレーティングを行い、40℃という低い周囲温度から利用可能な電力をディレーティングします。LCE80シリーズでは、最大50℃までは完全な性能が保証され、その後、最大温度70℃までは50%に直線的にディレーティングされます(図4)。
図4：LCE80シリーズのディレーティング曲線は、これらの電源が最大50℃までは80Wの性能を維持し、その後70℃の最大動作温度では50%減の40Wになることを示しています。(画像提供：XP Power)
取り付け位置、方向、使用可能な周囲のスペース、適用される負荷、周囲の部品、および空冷は、それぞれのアプリケーションに固有のものです。高度に現地化されたさまざまな派生品が存在する可能性があるため、システムエンクロージャの他の場所ではなく、オープンフレーム電源の温度をモデル化して測定することが重要です。
電源の推定耐用年数を特定する上で重要な要素は、消耗メカニズムを持つ唯一の部品である主要な電解コンデンサの温度に基づく寿命曲線です。電解コンデンサの寿命計算はすべてアレニウスの式に基づいており、温度が10℃上がるごとに反応速度が2倍になり、寿命が半分になります(図5)。耐用年数の目安は、部品のケース温度を測定し、アレニウスの式を規定の温度と設計寿命に適用することで求めることができます。
図5：代表的な2つの電解コンデンサの熱ディレーティング曲線は、アレニウスの式(右)のように、温度が10℃上がるごとに寿命が半分になることを示しています。(画像提供：XP Power)
●電磁両立性の問題
オープンフレーム電源では、規格を満たすために、一般的には2つ、場合によっては3つの取り付けポイントをアースグランドに接続する必要があります。クラスIのシステムでは、これらの接続のうち1つが安全グランドに必要で、アセンブリの入力側に配置されます。この接続では、Yコンデンサとして知られる、ライングランド間とニュートラルグランド間のコモンモードフィルタコンデンサも接続します(図6)。
図6：Yコンデンサはコモンモードフィルタとして機能し、電源の入力側でラインとニュートラルをグランドに接続して使用されます。(画像提供：www.blogranya.blogspot.com)
これらのコンデンサは、電源内のコモンモードインダクタと連携して、パワー段の急激な電圧変化に伴うノイズを減衰させます。これらの出力コモンモードコンデンサは、電源のEMC性能にとって非常に重要であり、最適なEMC性能を得るために接続する必要があります。
オープンフレーム電源でEMCに対応するためには、これらのポイントを合わせて接続する必要があります。グランドに接続するか合わせて接続する必要があるポイントは通常、電源のデータシートに記載されており、これらのポイントを接続する最良の方法は、グランドされた金属板に電源を取り付けることです(図7)。
図7：図面上でアースグランド記号が記されている取り付け穴は、クラスIのアプリケーションでは安全アースに接続し、クラスIIのアプリケーションでは合わせて接続する必要があります。(画像提供：XP Power)
このプレートは、フィルタコンデンサからグランドへの接続に対し、寄生素子の少ない低インピーダンスの経路を提供するのが目的のため、他のものに接続する必要はありません。アースグランド記号が記されている取り付け穴は、クラスIのアプリケーションでは安全アースに接続し、クラスIIのアプリケーションでは合わせて接続する必要があります。
一般的なガイドラインとして、電源のすべての入力と出力ケーブルを離し、オープンアセンブリに近接しないようにしてください。これにより、電源内部で発生した電磁放射が最終機器に伝導および放射されるという問題を、最小限に抑えることができます。
まとめ
設計者は、電圧/電流定格の異なるオープンフレーム電源の単一ファミリに集中し、その他すべての要素を変えずに設計することで、デザインインのプロセスを短縮し、向上させることができます。それにより、実装、接地、EMC、熱解析、ディレーティングの検討、パフォーマンスエンベロープの計算、物理的な接続、ケーブル配線などが容易になります。
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