パワーモジュールの強化により、システムの信頼性が向上

パワーソリューションはシステムの信頼性にどのような影響を与えるのか？

パワーソリューションは、様々な形でシステムの信頼性に影響を及ぼしますが、その中にはより明白なものもあります。電子機器や電気システムは電源がなければ動作しないため、電源が入るかどうかが信頼性の中核をなす指標であり、この点に関して多くの人が最初に考えることでしょう。しかし、電源が入るだけでなく、その電源の質によってシステムの性能が左右されることがあります。言い換えれば、電源の品質が負荷の性能を阻害しないことを保証する方法で負荷のニーズを満たすために、各システムの電圧レールの多くの特性や仕様が許容できる品質であるとみなされるように満たされなければなりません。電源品質とは（入力電圧や出力負荷の変動に対して）、電圧がどの程度レギュレートされているか、電源が不安定になったり許容範囲を超えたりすることなく、どのような過渡現象や負荷変動に対応できるか、出力電圧がどの程度速くまたはスムーズに上昇するか、製品を合法的に出荷するために必要な報告や認証を受けるためにはどの程度の安全規制/基準を満たす必要があるか、などを意味します。

このように、電源レギュレーションは出力だけでなく、入力にも適用されることがあります。出力側の作業がうまくいったとしても、入力側に反射したノイズが同じラインやバスを共有する他の機器に影響を与えることがあります。この相互干渉が多くの機器やシステムで拡大すると、その影響はユーティリティの信頼性や安定性に悪影響を及ぼすことさえあります。AC/DC 電源の力率改善（PFC）や全高調波歪み（THD）の最大値に関する要件は、エンドシステムの性能とは関係ないものの、この現象に対処するものです。

電気システムにおいて電力なしで動作するものはないため、多くの電気機械部品が電源と負荷を物理的に接続しており、これらは共通の故障点であるため、システムの信頼性を最適化する上でボトルネックになる傾向があります。コネクター、ワイヤーハーネス、ワイヤー、はんだ接合部などは、電源ソリューションの故障解析を行う際に最初に調査すべき原因であることが多く、また、スイッチやファンなど、物理的に動くものもこのカテゴリーに入ります。

フィルター部品は、電源の部品表（BOM）で懸念される次の主要品目、すなわちコンデンサー、トランス、インダクターなどのエネルギー貯蔵デバイスです。コンデンサーの信頼性は、通常、電解質材料の気まぐれによるもので、温度や電気的ストレス（リップルなど）の関数として、時間とともに蒸発したり、ガスが出たりすることがある液体であることが多いのです。磁気部品は、複雑かつ手作業で組み立てられるため、温度や電気的ストレス（コア飽和）に加え、信頼性に関わる弱点が生じます。

電源装置とシステムの交差点にある重点分野の大半を占めるこれらの項目をすべて見直すことは、それぞれが関連するリスクを軽減するためのアプローチとして、素晴らしい出発点となります。これらの項目を列挙するだけでなく、この演習では、システムの信頼性向上を永続的に追求するために、設計と 品質保証の努力の焦点をどこに置くべきかについて、かなり良いヒントを得ることができます。システムの信頼性は、さまざまな方法で特徴付けることができますが、一般的には、上にまとめた信頼性ボトルネックの故障統計から形成される寿命/故障を予測する統計的アルゴリズムに基づいています（「平均故障間隔」または MTBF/ 「平均故障時間」または MTTF 参照） [1] 。

パワーソリューションの設計や製造方法において、信頼性を高めるために重要なことは何でしょうか？

一般的な電源装置にはあらゆる配慮が必要であることを考えると、多品種のカスタム部品、多数の電気機械部品、高電力密度を持つ堅牢なサブシステムが、安全かつ繰り返し大量に製造でき、なおかつ最高の歩留りを維持できることは、ほとんど奇跡的なことに思えます。比較的シンプルに見えるパワーソリューションも、原材料の調達から使用済み製品の廃棄・リサイクルに至るまで、失敗から学び、プロセスを最適化するために、何年もかけて苦心した結果なのです。

設計段階において、経験豊富な電力設計者の多くは、何らかのディレーティング・ガイドラインを参照することになります。これは、特定のコンポーネントを使用したりシステムを設計する際に、どれだけのマージンを考慮すべきかについての推奨文書です。言い換えれば、最大応力と期待される性能の計算には、特定のFOM（Figure of Merit）に対する定格の最大仕様の100％よりどの程度小さいものを使用すべきかということです。これは、部品の電圧/電流定格から、外部の周囲動作温度や機械的ストレスなどの物理的属性に至るまで、すべてのFOMに適用することができます。多くの場合、安全な動作限界は、半導体の最大接合部温度限界まで動作させるなど、FOMの混合によって決定されますが、これはチャネル電流に直接関係することがあります。ディレーティングガイドラインや標準は、特定のコンポーネント、材料、およびアプリケーションに関する豊富な経験やデータに基づく傾向があります。いくつかのルールに従うことで、新人設計者でも長年の経験に裏打ちされた判断ができるようになります。

故障の物理学に関する歴史的根拠や研究は、このブログの範囲を超えていますが、設計者がこの点で遭遇する可能性のある解析の種類を簡単に紹介するのはよいことです。前のセクションで参照した統計ベースのアルゴリズムは、一般にアレニウスの式 [2] のいくつかの変形を実装します。この方程式は、温度と化学反応の速度を関連付けるもので、部品がその寿命を通じて観測するエネルギーが、十分な熱ストレスを示し、故障のポイントを定義する可能性のある特定の閾値まで劣化すると予測される場合に、その予測指標を提供します。これらの性能/故障の予測因子と、上述の設計ガイドラインの基礎となる経験やデータの大きな活用を組み合わせることで、電力設計リソースが慎重に開発、維持、運用するプロセス文書が生まれます。この文書には、品質管理システム（QMS）やプロセス制御とデータ取得の他の枠組みが含まれることがあります。特定のリソースがどの程度立派かを判断する近道は、利用されている規格/認証/プロセスの種類を確認することです。この例として、ISO 9001 [3] を参照ください。

磁気は，パワーソリューションの設計/運用に不可欠であることに加え、手作業によるプロセスや複雑な構造（電磁両立性、つまりEMCは言うに及ばず）が原因で故障が発生しやすいため、多くの本格的な電力設計者は、トランスとインダクタの材料と設計（電気的および機械的）の最適化にかなりのエンジニアリング努力を傾ける必要があります。トランスの構造は，性能上重要であるだけでなく、ユーザーや負荷を危険な電圧からガルバニック絶縁することで、パワーソリューション（ひいてはエンドシステム）を安全にするための最初の防衛線となる可能性もあります。これらのコンポーネントは、一般的にシステムで最もサイズと重量が大きいという負担が加わります。つまり、先ほど説明したすべての要因に加えて、これらの大型コンポーネントを、予想されるシステムへの最大の衝撃や振動のストレスを超えて確実に固定することが必要です。

設計の性能と最終的な限界を評価するために使用されるテストと認定の枠組みは、導入されたソリューションの成否に大きく貢献します。確かに、ほとんどのシステム設計者は、ある程度の設計検証テスト（DVT、別名ベンチテスト）を実施しますが、テスト対象ユニット（UUT）を、故障のレバーを（特に限界点まで）丹念に押し込むような入念に作られた実験に投入することが、許容範囲の設計と高信頼性の設計を分けることになります。このような一連のテストは「高度に加速された」カテゴリーに属し、システムが生涯にわたって受ける可能性のある極度のストレスをエミュレートして、より合理的な開発期間（すなわち、数年間の使用を表す数週間/数ヶ月のテスト）で故障メカニズムを引き出します。この種のテストは、単純なベンチテストとして実行することは不可能であり、安全でさえない電気的/熱的/機械的ストレスをラボ環境で使用することもあります。この種のテストの例としては、設計段階で設計を故障に追い込む高加速寿命試験（HALT）[4]、または生産からユニットを常にサンプリングし、定期的に加速寿命試験にかけることで継続的な信頼性を評価する高加速ストレススクリーニング/監査（HASS/HASA）[5]があります。

最新のパワーソリューションは、どのようにシステムの信頼性を高めているのでしょうか？

電源ソリューションがシステム全体の信頼性に関わる重要な障害点については、すでに多くの議論がなされており、電源ソリューションの専門家がそのようなボトルネックを特徴付け、障害の物理学に基づいてその周辺を設計するためにとる一般的なアプローチも紹介されています。電源の設計と製造の具体的な内容をもう少し掘り下げて、組立製造の最先端を行く方法論との議論を深めることが有益でしょう。

電気機械部品はシステムの最も一般的な弱点として認識されているため、これらの部品を排除することは明白な解決策かもしれませんが、それは言うほど簡単なことではありません。しかし、他の熱緩和技術（ヒートシンク/スプレッディングなど）を活用し、インテリジェントな電力管理技術と組み合わせることで、そもそも電力消費を抑えることができるため、ファンを使用して強制的に空気を送る必要があるシステムと、放射または対流の気流によって冷却できるシステムの違いを生み出すことができるかもしれません。実際、ワイドバンドギャップ（WBG）半導体やコンデンサーのリップル低減など、パワーソリューションの全体的な機能整流効率を高めるものはすべて、ソリューションの散逸電力に効率が反比例するため、この価値提案にプラスとなります。

スルーホール（TH）ピンを表面実装（SM）パッドに置き換えることは、パワーソリューションの成長トレンドであり、近年の多くの先進的なパッケージングの革新の一つにすぎません。SM 技術自体は新しいものではありませんが、パッケージされたリードフレームや半導体部品から外部のプリント回路基板（PCB）やヒートシンク/ヒートスプレッダへ大電流/熱負荷をより直接的に伝達する能力は、特に 3 次元パワーパッケージング（3DPPR）技術の支援により大きな進歩を遂げています [6]。はんだ接合部は、品質管理者と断続的なフィールド問題のデバッグ担当者の両方にとって非常に頻繁に火傷の原因となるため、クリーンな取り付け方法は、IPC-610 [7]などの強化されたはんだ付け規格の使用を意味します。

手作業で配線するソリューションをできるだけ多く自動化することのメリットは、特に磁性体の項目で先に述べたとおりです。最近のパッケージングや異種集積技術では、平面磁性体を取り入れることで、これをさらに一歩進めています。これは、磁性体の巻線を、注意深く管理され、繰り返し配置されたPCB（多くの場合、他のシステムコンポーネントと同じもの）上のトレースに組み込み、磁気/コア材料をトレースの周りに囲んで磁気構造を形成することによって行われます。そうすることで、信頼性の低いコンポーネントを軽減し、スケールメリットと製造自動化を推進すると同時に、サイズの縮小から厳しい公差を持つ非常に複雑な形状の実現まで、さまざまな利点が得られます。また、平面磁性体は、プリント回路アセンブリ（PCA）のコンフォーマルコーティングや気密封止を改善し、埃や湿気、空気中の導電性異物など、システムの信頼性を阻害する環境要因から保護することができます。

部品追跡に関する製造工程と文書化の近代的な強化は、複雑化するアセンブリに直面しても、パワーソリューションが牽引するシステムの信頼性をほぼ直感的に改善することに大きく寄与しています。トレーサビリティの向上と原材料の人道的な調達へのグローバルな取り組みにより、電源装置のシリアルナンバーを調べるだけで、電源装置内の単一部品のロット/日付コードを原産地まで追跡できるだけでなく、その材料の原産国や鉱山まで追跡することができるのです。このレベルの追跡とトレーサビリティは、長年にわたる書類作成とデータベースの取得から生まれたもので、ファイルキャビネットの中の書類から、部品のキッティングから最終梱包、テスト、出荷、さらには現場までアセンブリを追跡できる固有のデジタルIDに進化してきました。このような高度な文書化プロセスの重要性は、組立ラインの端から端までスムーズに流れる部品/PCAだけでなく、リワークされた部品/PCAの品質にも寄与している点でも注目されます。かつては、故障の根本原因を解明し、システムの信頼性を高めるための最適化を図るために、ユニットがどのような経路をたどってきたかを追跡することが重要な課題となっていました。製造ラインのオペレーターの短期的な都合で、間違ったはんだリフロー炉で、サポートされていない熱プロファイルを通過した基板を知るには、他にどうしたらよいでしょうか？

結論

どのようなシステムも、その最も弱い部分と同じ強さしか持っていません。結局のところ，電源ソリューションは，部品点数や設計の複雑さという点で，他のサブシステムやコンポーネントと同様に困難であり，全体的なシステム設計そのものに匹敵することさえあるのです。このことを理解し、内面化することで、これらの弱点を地球上で最も堅牢で信頼性の高いシステムに変えることができます（あるいは、修理のための保証返品がない宇宙アプリケーションでは、さらにその上を行きます）。

パワーソリューションにおける故障の物理学は、何十年にもわたって徹底的に研究されてきたため、設計者は現在、広範なツールやガイドラインを手元に置いています。これらの有用なソリューションは、特定の業界やアプリケーションに特化したものですが、ある市場や業種に合わせたものであっても、別の市場に適用することで非常に有用でアクセスしやすい（例えば、安価）ものになることがあることに留意すべきです。例えば、IPC-9592B [8]のような規格のディレーティングガイドラインや加速寿命試験は、大型コンピュータやテレコミュニケーションシステムを念頭に置いて作成されていますが、信頼性が高く手頃な消費者向け製品の作成を促進することも可能です。MIL-HDBK-217 [9]やMIL-HDBK-338B [10]のような規格は、軍事用途のケースで作成されましたが、他の高信頼性アプリケーションに活用することも可能です。

注: これらの資料の中には、かなり古いものもあるので、日付に注意し、特定の用途で使用される傾向があるものを調査するようにしてください。また、このガイダンスを利用するきっかけとなった参考文献や背景情報にも注意を払い、データ/前提がそのアプリケーションにとって意味のあるものであることを確認してください。

幸いなことに、今日の設計者は、さまざまな製造プロセスに対応するユーザーフレンドリーなフォームファクターで、信じられないほど信頼性の高いドロップイン・パワー・ソリューションを手に入れることができます。先進的なパッケージングと3DPPR技術により、システム設計者は最先端の（SOTA）商用オフザシェルフ（COTS）パワーサブシステムを活用しながら、統合パワーソリューションに伴う利点と頑丈さを手に入れることができます。

参考文献

[1] Wikipedia contributors, “Mean time between failures," Wikipedia, The Free Encyclopedia, https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Mean_time_between_failures&oldid=1128168769 (accessed March 6, 2023).

[2] Wikipedia contributors, "Arrhenius equation," Wikipedia, The Free Encyclopedia, https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Arrhenius_equation&oldid=1123333780 (accessed March 6, 2023).

[3] Wikipedia contributors, "ISO 9000," Wikipedia, The Free Encyclopedia, https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=ISO_9000&oldid=1143191589 (accessed March 6, 2023).

[4] Wikipedia contributors, "Highly accelerated life test," Wikipedia, The Free Encyclopedia, https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Highly_accelerated_life_test&oldid=1114242261 (accessed March 6, 2023).

[5] Wikipedia contributors, "Highly accelerated stress audit," Wikipedia, The Free Encyclopedia, https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Highly_accelerated_stress_audit&oldid=959928574 (accessed March 6, 2023).

[6] “Introducing RECOM 3D Power Packaging® (3DPP),” RECOM Blog, Feb 26, 2021, https://recom-power.com/en/company/newsroom/blog/rec-n-introducing-recom-3d-power-packaging-(3dpp)-145.html (accessed January 23, 2023).

[7] IPC-A-610 Development Team, "IPC-A-610 - Revision F - Standard with Amendment 1: Acceptability of Electronic Assemblies," IPC, Bannockburn, IL, May 9, 2016. Available: https://shop.ipc.org/ipc-a-610/ipc-a-610-standard-amendments/Revision-f/english.

[8] Power Conversion Devices Standard Subcommittee (9-82), "IPC 9592B: Requirements for power conversion devices for the computer and telecommunications industries," IPC, Bannockburn, IL, Nov 2012, pg. 20. Available: https://shop.ipc.org/ipc-9592/ipc-9592-standard-only.

[9] “MIL-HDBK-217F: MILITARY HANDBOOK –RELIABILITY PREDICTION OF ELECTRONIC EQUIPMENT,” US Department of Defense, December 2, 1991.

[10] “MIL-HDBK-338B: MILITARY HANDBOOK – ELECTRONIC RELIABILITY DESIGN HANDBOOK,” US Department of Defense, October 1, 1998.