死ぬよりクールな方がいい

電源の寿命に温度が重要な役割を果たす事実は、アレニウスの方程式で証明されます。スウェーデンの化学者、Svante Arrhenius が 1889 年に化学反応速度と温度との関係を計算するために開発した方程式です。電子部品の故障の多くは化学物質が原因であるため（腐食、リーク電流、拡散、マイグレーション効果など）、高い周囲温度や動作温度は、通常、電源の早期故障につながる最も過酷なストレス要因になります。

すべての電源は熱を発生します。これは、内部の電力損失によって引き起こされますが、この電力損失は効率と負荷に依存します。効率が高ければ内部の電力損失は少なくなり、同様に出力電力が低ければ内部の熱損失は少なくなります。したがって、電源装置内部の損失電力量は、次の簡単な式から求めることができます。

内部の熱を放散できない（周囲に吸収される）と、熱暴走が発生し、電源の破壊につながる可能性があります。電源の過熱を避けるために、周囲温度が高いときには出力電力をディレーティング（低減）する必要があります。例えば、以下のディレーティング図は、この電源が周囲温度68℃まではフルパワーを供給できるが、周囲温度+85℃での動作ではフルロードの55%に制限しなければならないことを示しています。

ディレーティング図は、固有の動作条件（通常は公称 VIN と自由空冷式対流冷却）に対してのみ有効です。また、このグラフは、電源ケースと周囲の空気との間の自然対流熱抵抗（θCA）が一定であり、内部温度上昇 Trise が電力消費に正比例するという仮定に基づいているため、部品温度が最大に達すると、周囲温度のさらなる上昇に対して、出力電力の減少でバランスをとる必要があります。

より高い周囲温度でより多くの出力電力が必要な場合は、熱インピーダンスを下げる必要があります。強制空冷では、より多くの熱を電源から対流させることができるため、異なる風速でのディレーティンググラフの一群を導き出すことができます。

微分 Q-dot は単位時間当たりの熱伝達率、h は熱伝達率、A は表面積、T_rise は内部電力損失による温度上昇分を表しています。

同じ温度上昇と表面積であれば、風量を大きくすることで熱伝達率hが向上し、熱伝達率の上昇につながります。上記の例では、自由空気自然対流（風速0m/s）で+68℃からディレーティングが始まりますが、同じ電源で強制風速2m/sでは+85℃、強制風速3m/sで+90℃以上ではフルパワーを発揮することができます。

なお、このディレーティング図は計算結果であることを申し添えます。消費電力が出力負荷や入力電圧に対して一定であること（事実ではない）、熱インピーダンスが任意の風量に対して一定であること（これも事実ではない）を前提として計算されているため、グラフは直線になっています。

ディレーティングを計算ではなく実測定した場合、その結果はディレーティング曲線となります。


ディレーティングカーブの測定には、校正された風洞とリアルタイムの温度監視が可能な自動制御システムが必要です。図6にRECOMのセットアップを示します。

風洞内の気流は調整され、層流は0.05m/sまで下がります。全自動制御システムにより赤外線（IR）カメラを使って非接触で部品の温度を監視し、リアルタイムで最大電力損失を監視するために出力負荷を調整します（図7）。IRカメラにはイーサネットリンクのデータフィードが制御コンピュータに接続されており、システムは複数の部品の温度を同時に監視して、どの部品も限界を超えないようにすることができます



風量を段階的に増加させ、部品の温度を監視します。すべてのホットスポットが臨界温度以下になるよう、出力パワーを自動制御します。



各試験のデータをコンピュータに記録し、各風量ステップでの熱伝達率（出力電力1Wあたりの温度上昇値：℃/W）を計算し、熱係数の測定値に基づいて正確なディレーティンググラフを自動的にプロットします。

結論

ディレーティング計算の信頼性は、その元となるデータと同じでしかありません。また、いくつかの仮定に基づいているため、正確なパラメータ値と正確なディレーティングカーブを生成するためには、実機テストが必要です。

このプロセスを自動化することで、再現性が保証され、テストが大幅にスピードアップします。例えば、電源装置の特性を適切に評価するために、複数の重要なコンポーネントの最高温度を異なる風量で手動測定する場合、これまでは数日かかっていました。しかし現在では、自動化されたプロセスのおかげで正確なディレーティングカーブを数時間で生成することができます。

ユーザーが周囲温度の高い過酷な動作環境に電源を設置する場合、デバイスの寿命が著しく短くなることを理解する必要があります。それでも、電源装置の能力をその動作範囲の極限まで押し上げる必要がある場合、これは、熱暴走や部品の焼損といった致命的な故障のリスクを冒すことなく行わなければなりません。ただし、ディレーティングカーブが計算ではなく実測定されていることを知っていると、電源がそのような極端な環境において故障することなく動作することが想定され、ある程度の信頼が得られます.

また、さまざまなコンポーネントが異なる動作条件下で最大温度限界に達することも明らかになりました。例えば、風量が少ない場合は、入力のバルクコンデンサの温度が出力パワーを制限する「弱点」となり得ます。しかし、風量が大きい場合には、コンデンサの円筒形状の周囲で渦が発生するため、実効的な熱伝達率が高まり、別の部品（通常はスイッチングトランジスタ）がコンデンサよりも先に臨界最高温度に達します。このような実際の変動を熱流モデリングを用いて正確にシミュレートすることは、不可能ではないにしても困難です。しかし、複数のホットスポット赤外線画像を使うことで、RECOMのシステムは自動的に最も重要な部品を選択し、それを使って負荷を制御することができるのです。

したがって、異なる動作条件下で同じ電源を使用した場合、ディレーティングカーブが必ずしも同じになるとは限りません。過酷な条件下で電源が限界を超えないという安心感を必要とするRECOMのお客様には、そのような動作状態を再現するように風洞実験をプログラムし、明確な合格・不合格の回答を出すことが可能です。

[1] タイトルに聞き覚えがあると思ったら、Curt CobainがNirvanaのアルバムNevermindの収録曲Stay Awayの歌詞「クールよりも死んだ方がいい」です。もちろん、彼はその両方を実現しました。