なぜ電源にデータバスが必要なのか？
2021/11/12
近年、電源メーカーは、電源を制御・監視するためのインターフェースを提供し始めています。本稿では、その理由と回路設計者にとっての展望を紹介します。
ここでは、大きな電力を必要としながらも比較的短いデューティサイクルでしか使用できないアプリケーションについて考察してみましょう。必要な平均電力は大幅に低くなります。そのようなアプリケーションとしては、3Dプリンタ、レーザーカッター、あるいは素早く移動する必要があるがほとんどの場合は位置を固定する必要があるロボットアームなどが挙げられます。このような機器の開発者は、予想される最大の電力ピーク（「ワーストケース負荷電流」）を恒常的に供給できる電源を推奨したくなるかもしれません。しかし、このような方法では最適な効率は期待できず、ある程度操作上の危険性を伴うかなり高価な電源になってしまいます。なぜなら、故障が発生した場合、負荷に供給される過大な電流により火災が引き起こされる可能性が大いにあるからです。
そのためには、より小型の電源を採用して、定められた短時間に高出力のピーク電力を供給しつつ、継続的な障害が発生した場合には電流を制限するという方法を選択するしかありません。どのような条件でどのような電力が必要かは、電気負荷の種類によって決まります。開発者は、電源の動作を自由にプログラムできるようなユーザー志向のアプローチを取らなければなりません。このような要求を満たすためには、通常、アナログ制御よりもデジタルインターフェースが適しています。これは、モニタリング機能が電源ユニットに組み込まれている場合に特に当てはまります。どの電流がいつ流れるのか？それはまだ妥当なものなのか、それとも負荷が異常な動作をしているのか？電源装置に適切なインテリジェンスが実装され、適切なデータバスが利用可能であれば、電源装置に接続されたすべての負荷を非常にシンプルかつ確実に監視することができます。近年の電源装置の多くに搭載されているPMBus（Power Management Bus）は、これらのタスクのために確立されています。
そのためには、より小型の電源を採用して、定められた短時間に高出力のピーク電力を供給しつつ、継続的な障害が発生した場合には電流を制限するという方法を選択するしかありません。どのような条件でどのような電力が必要かは、電気負荷の種類によって決まります。開発者は、電源の動作を自由にプログラムできるようなユーザー志向のアプローチを取らなければなりません。このような要求を満たすためには、通常、アナログ制御よりもデジタルインターフェースが適しています。これは、モニタリング機能が電源ユニットに組み込まれている場合に特に当てはまります。どの電流がいつ流れるのか？それはまだ妥当なものなのか、それとも負荷が異常な動作をしているのか？電源装置に適切なインテリジェンスが実装され、適切なデータバスが利用可能であれば、電源装置に接続されたすべての負荷を非常にシンプルかつ確実に監視することができます。近年の電源装置の多くに搭載されているPMBus（Power Management Bus）は、これらのタスクのために確立されています。
Power Management Bus (PMBus®)は、デジタルエネルギー管理プロトコルのオープンスタンダードであり、シンプルで堅牢、かつ拡張性に優れています。約40社のPMBusメンバー企業がこの規格を採用し、推進し、改善を続けています。
PMBusのプロパティ
PMBusでは、1つまたは複数の電源装置の動作パラメータを設定することができます。例えば、必要のない電源ユニットは完全にオフにしたり出力電圧や電流をダイナミックに調整することもできます。プログラム可能なファン電源コネクタを使用すると、通常のファンをインテリジェント化することができます。ファンの動作とスピードは必要な出力電力に合わせて自動的に調整され、同時に騒音を最小限に抑え、ファンの寿命を延ばすことができます。これらの機能はすべて標準的なPMBusで実現できます。PMBusは、ほとんどすべてのマイクロコントローラーが接続できるI2Cプロトコルを持っているという利点もあります。
PMコントロールのコマンドセットと同様に重要なのが、そのモニタリング機能です。PMBusは、入力電流や出力電流、電圧や電力、重要部品の温度、詳細な故障診断などのステータスデータをリアルタイムに提供します。これらの情報から、アプリケーションは差し迫った過負荷や過熱の状態を、事前に予測することができます。冷却が不十分で内部の温度が上昇した場合、電源は単に限界に達してシャットダウンするだけでなく、深刻なしきい値に達する前に警告を発します。
PMBusはシンプルなモニタリングや制御を可能にするだけでなく、電源に内蔵されたマイクロコントローラに直接接続されており、デジタルフィードバックループを制御しています。そのため、動作パラメータの設定や監視だけでなく、過渡応答やスルーレート、補正マトリクスの変更も可能です。これにより、電源の動作をアプリケーションの実際の負荷動作に合わせたり、「オンザフライ」でダイナミックに調整することができます。つまり、PMBusインターフェースを追加することで、標準的な電源がカスタム電源になり得るのです。
PMコントロールのコマンドセットと同様に重要なのが、そのモニタリング機能です。PMBusは、入力電流や出力電流、電圧や電力、重要部品の温度、詳細な故障診断などのステータスデータをリアルタイムに提供します。これらの情報から、アプリケーションは差し迫った過負荷や過熱の状態を、事前に予測することができます。冷却が不十分で内部の温度が上昇した場合、電源は単に限界に達してシャットダウンするだけでなく、深刻なしきい値に達する前に警告を発します。
PMBusはシンプルなモニタリングや制御を可能にするだけでなく、電源に内蔵されたマイクロコントローラに直接接続されており、デジタルフィードバックループを制御しています。そのため、動作パラメータの設定や監視だけでなく、過渡応答やスルーレート、補正マトリクスの変更も可能です。これにより、電源の動作をアプリケーションの実際の負荷動作に合わせたり、「オンザフライ」でダイナミックに調整することができます。つまり、PMBusインターフェースを追加することで、標準的な電源がカスタム電源になり得るのです。
RACM1200-V
上記の特徴をすべて備えた電源として、RECOM社のRACM1200-Vがあります。RACM1200-Vは、コンパクトなAC/DC電源の新基準となる製品で、ファンレスで信頼性の高い動作を実現し、システムの長期稼働を可能にします。ベースプレート冷却方式により熱をアプリケーションから逃がし、最大1,000Wの連続出力と最大1,200Wの短時間出力を実現しました。
ファン出力にオプションのファンを接続すれば、最大1,200Wの連続出力も可能です。幅広い出力電圧設定、定電圧/定電力とHiccupモードの設定を組み合わせることで、特にアプリケーションの本質的な安全性をサポートする多彩な機能を備えています。また、2つの補助出力（プログラマブルな5V～12Vのシステムファン出力と、絶縁された「常時オン」の5V/1Aのスタンバイ出力）と同様に、さまざまなアナログ制御・監視機能にコネクターからアクセスでき、電源管理機能を利用できます。
RACM1200-Vシリーズは、プロジェクトに応じたファームウェアの設定で、インテリジェントに制御されたフォールト・リミッター機能により、本質的にフェイルセーフな設定に制限することができます。標準バージョンでは，2本の信号線とインジケータLEDによって内部状態を読み取ることができます。
RACM1200-Vシリーズは、プロジェクトに応じたファームウェアの設定で、インテリジェントに制御されたフォールト・リミッター機能により、本質的にフェイルセーフな設定に制限することができます。標準バージョンでは，2本の信号線とインジケータLEDによって内部状態を読み取ることができます。
図2：RACM-1200Vのデータシートからの抜粋
PMBusバージョンのRACM1200-V/PMBは、アナログのステータスおよび制御ピンに加えて、お客様が電源を直接調整できるデジタル・インターフェースを備えています。RECOMは、電源装置をプログラミングするためのコマンドライン・インターフェース・ユーティリティも提供していますので、ご要望に応じてご希望のファームウェア設定でデバイスを事前にプログラムすることも可能です。
どちらのバージョンも最大95%のピーク効率を達成し、さらにスタンバイモードではエコデザインの要件を満たしています。RACM1200シリーズは、医療用（2MOPP、BF）、工業用、ITE規格等の世界的な安全認証を取得しているほか、クラスAイミュニティとクラスBエミッションの電磁両立性（EMC）試験にもパスしています。これらの特長により、本製品は、業界で最も簡単に統合できるモジュラー電源ソリューションの一つとなっています。
ファン出力にオプションのファンを接続すれば、最大1,200Wの連続出力も可能です。幅広い出力電圧設定、定電圧/定電力とHiccupモードの設定を組み合わせることで、特にアプリケーションの本質的な安全性をサポートする多彩な機能を備えています。また、2つの補助出力（プログラマブルな5V～12Vのシステムファン出力と、絶縁された「常時オン」の5V/1Aのスタンバイ出力）と同様に、さまざまなアナログ制御・監視機能にコネクターからアクセスでき、電源管理機能を利用できます。
RACM1200-Vシリーズは、プロジェクトに応じたファームウェアの設定で、インテリジェントに制御されたフォールト・リミッター機能により、本質的にフェイルセーフな設定に制限することができます。標準バージョンでは，2本の信号線とインジケータLEDによって内部状態を読み取ることができます。
RACM1200-Vシリーズは、プロジェクトに応じたファームウェアの設定で、インテリジェントに制御されたフォールト・リミッター機能により、本質的にフェイルセーフな設定に制限することができます。標準バージョンでは，2本の信号線とインジケータLEDによって内部状態を読み取ることができます。
図2：RACM-1200Vのデータシートからの抜粋
PMBusバージョンのRACM1200-V/PMBは、アナログのステータスおよび制御ピンに加えて、お客様が電源を直接調整できるデジタル・インターフェースを備えています。RECOMは、電源装置をプログラミングするためのコマンドライン・インターフェース・ユーティリティも提供していますので、ご要望に応じてご希望のファームウェア設定でデバイスを事前にプログラムすることも可能です。
どちらのバージョンも最大95%のピーク効率を達成し、さらにスタンバイモードではエコデザインの要件を満たしています。RACM1200シリーズは、医療用（2MOPP、BF）、工業用、ITE規格等の世界的な安全認証を取得しているほか、クラスAイミュニティとクラスBエミッションの電磁両立性（EMC）試験にもパスしています。これらの特長により、本製品は、業界で最も簡単に統合できるモジュラー電源ソリューションの一つとなっています。
アプリケーション
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RACM1200-V
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