개선된 전력 모듈로 시스템 안정성 향상

전력 솔루션은 시스템 신뢰성에 어떻게 영향을 미칠까요?

전력 솔루션은 다양한 방식으로 시스템 신뢰성에 영향을 미치며, 일부는 다른 솔루션보다 더 명확하게 영향을 미칩니다. 가장 먼저, 시스템은 일반적으로 잘 작동할 것을 간주하고 시작해야 하며, 전자 또는 전기 시스템은 전력 없이는 작동하지 않기 때문에 단순히 켜질 수 있다는 것이 신뢰성의 핵심 척도입니다. 따라서 확실히 많은 사람들이 이와 관련하여 먼저 생각합니다. 단순히 켜지는 단계를 지나면 시스템 성능을 전력 품질에 연계할 수 있습니다. 즉, 전원공급장치 품질이 부하의 성능을 방해하지 않도록 보장하는 방식으로 부하의 요구 사항을 충족하기 위해 허용 가능한 품질로 간주되기 위해서는 각 시스템 전압 레일에 대한 많은 특성 및 사양을 충족해야 합니다. 전력 품질은 (입력 전압 또는 출력 부하의 변동에 대해) 전압이 얼마나 잘 조절되는지, 전력 공급을 불안정하게 만들거나 허용 한계를 초과하지 않고 어떤 종류의 과도 단계 또는 부하 단계를 수용할 수 있는지, 얼마나 빠르고 또는 원활하게 출력 전압이 상승하는지, 제품을 합법적으로 배송하는 데 필요한 모든 보고서/인증을 얻기 위해 충족해야 하는 안전 규정/표준과 연관이 있을 수 있습니다.

위에서 살짝 말씀드린 바와 같이 전력 공급 조절은 출력 뿐만 아니라 입력에도 적용될 수 있습니다. 출력 측 작업이 만족스럽게 수행되더라도 입력에 다시 반영되는 노이즈는 동일한 라인이나 버스를 공유하는 다른 장치에 영향을 미칠 수 있습니다. 많은 유닛과 시스템 간에 이러한 교차 간섭이 확장되는 경우 그 영향은 유틸리티의 신뢰성 또는 안정성에 해로울 수도 있습니다. 최종 시스템 성능과는 관련이 없지만 AC/DC 전원공급장치의 역률 개선(PFC)을 위한 요구 사항 또는 최대 전고조파 왜곡(THD) 수준은 이러한 현상을 해결하기 위한 것입니다.

전기 시스템의 어떤 것도 전력 없이 작동하지 않기 때문에 많은 전기 기계 부품이 전원공급장치를 부하와 물리적으로 연결하는데, 이는 일반적인 고장 지점이 되는 경향이 있으므로 시스템 신뢰성 최적화 측면에서 병목 현상이 발생합니다. 커넥터, 와이어 하네스, 와이어 및 납땜 접합부는 전력 솔루션의 고장 분석을 수행할 때 조사해야 하는 첫 번째 원인인 경우가 많습니다. 스위치 및 팬처럼 물리적으로 이동하는 부품이 이러한 범주에 해당합니다.

필터 부품은 전력 자재명세서(BOM) 중 우려 항목 목록에 포함되는 그 다음으로 주요한 항목으로, 커패시터, 변압기 및 인덕터와 같은 에너지 저장 장치가 해당됩니다. 커패시터의 신뢰성은 일반적으로 온도 및 전계 응력(즉, 리플)의 작용으로 시간이 지남에 따라 증발하거나 기화되어 사라질 수 있는 액체 상태의 전해질 재료의 변동에 달려 있습니다. 마그네틱 부품은 온도 및 전계 응력(즉, 코어 포화)과 관련된 것 이외에 신뢰성 약점을 불러오는 복잡한 구조 및/또는 손으로 조립한 구조일 수 있습니다.

전원공급장치와 시스템의 교차점에서 대부분의 중점 영역을 망라하는 이러한 모든 항목을 검토하는 것 역시 각 항목과 관련된 위험을 완화하는 접근 방식으로서 훌륭한 시작입니다. 이러한 항목을 나열하는 것 외에도, 이 방법은 개선된 시스템 안정성을 지속적으로 추구하기 위해 설계 및 검증 노력을 어디에 집중해야 하는지에 대한 몇 가지 좋은 힌트를 제공합니다. 시스템 신뢰성은 일반적으로 위에 요약된 신뢰성 병목 현상에 대한 고장 통계를 살펴봄으로써 형성된 수명/고장을 예측하는 일부 통계 알고리즘을 기반으로 하는 다양한 방법으로 특징지을 수 있습니다("평균 무고장 시간" 즉, MTBF/" 평균 고장 시간" 또는 MTTF) [1].

신뢰성을 견인하는 전력 솔루션 설계와 제조 방법의 중요한 측면에는 무엇이 있을까요?

일반적인 전원공급장치에 대한 모든 고려 사항을 감안할 때, 많은 수의 맞춤형 BOM, 수많은 전기 기계 부품 및 고출력 밀도를 갖춘 강력한 하위 시스템을 대량으로 안전하게 반복 구축하면서 계속해서 가장 높은 제조 수율을 유지할 수 있다는 것은 거의 기적처럼 보입니다. 상대적으로 단순해 보이는 전력 솔루션도 원자재 조달에서 수명 종료(EOL) 폐기/재활용에 이르기까지 전 과정에서 수년 동안 고된 시간과 노력을 기울이며 실수를 통해 배우고 프로세스를 최적화한 결과입니다.

설계 단계에서 숙련된 대부분의 전력 설계자는 특정 부품을 활용하거나 시스템을 설계하는 데 어느 정도의 마진을 사용해야 하는지에 대한 권장 사항 문서인 일종의 정격 감소 지침을 참조합니다. 다시 말해, 최대 응력 및 기대 성능을 계산하는 데 특정 성능 지수(FOM)에 대한 항목의 정격 최대 사양의 100%에 어느 정도 못 미치는 값 사용해야 할까요? 이 질문은 부품의 정격 전압/전류에서 외부 주변 작동 온도 또는 기계적 응력과 같은 물리적 속성에 이르기까지 모든 FOM에 적용해 볼 수 있습니다. 종종 안전 작동 한계는 채널 전류와 직접 관련될 수 있는 최대 접합 온도 한계까지 반도체를 작동하는 것과 같이 FOM의 혼합에 의해 결정됩니다. 정격 감소 지침 및/또는 표준은 고려 중인 특정 부품, 재료 및 응용 분야에 기반한 광범위한 경험과 데이터를 기반으로 하는 경향이 있습니다. 몇 가지 규칙을 따르면 초보 설계자는 자신이 가지고 있는 것보다 더 많은 수년 간의 경험을 바탕으로 정보에 입각한 결정을 내릴 수 있습니다.

고장 물리학에 대한 역사적 기반과 연구는 이 블로그에서 다루는 범위를 약간 벗어나지만 설계자가 이와 관련하여 예상할 수 있는 분석 종류에 대한 간략한 소개를 제공하는 것은 적절합니다. 이전 섹션에서 참조한 통계 기반 알고리즘은 일반적으로 온도와 화학 반응 속도를 관련시키는 아레니우스 방정식(Arrhenius equation)[2]의 일부 변형을 구현하므로, 수명 기간 동안 부품이 관찰한 에너지가 고장 지점을 정의할 수 있는 특정 임계값까지 성능 저하가 예상되는 충분한 열 응력을 나타내는 시점에 대한 예측 변수를 제공합니다. 위에서 언급한 설계 지침의 토대가 되는 경험 및 데이터를 활용하면서 이러한 성능/고장 예측 변수를 같이 사용하면 유능한 전력 설계 인력이 신중하게 개발, 유지 관리 및 운영할 수 있는 프로세스 문서가 생성됩니다. 이러한 문서는 품질 관리 시스템(QMS) 또는 기타 프로세스 제어 및 데이터 캡처 프레임워크와 같은 내용을 포함할 수 있습니다. 특정 리소스가 얼마나 괜찮은지 판단하는 지름길은 사용된 표준/인증/프로세스의 종류를 살펴보는 것입니다. 보편적으로 인정되는 예로 ISO 9001 [3] 참조를 살펴보세요.

마그네틱스는 전력 솔루션의 설계/작동에 필수적이기 때문에 관련된 수동 프로세스 및/또는 복잡한 구조(전자기 적합성 즉, EMC는 말할 것도 없고)로 인해 일반적인 고장 지점이 될 뿐만 아니라 많은 신중한 전력 설계자가 변압기 및 인덕터의 재료 및 (전기적 및 기계적) 설계를 최적화하는 데 상당한 엔지니어링 노력을 기울여야 합니다. 변압기의 구성은 성능에 중요할 뿐만 아니라 위험한 전압으로부터 사용자 및/또는 부하에 대해 갈바닉 절연을 구현하여 전력 솔루션(및 따라서 최종 시스템)을 안전하게 만드는 첫 번째 안전 장치가 될 수도 있습니다. 이러한 부품에는 일반적으로 시스템에서 (크기 및 질량이) 가장 큰 부담이 추가됩니다. 즉, 방금 설명한 모든 요소 외에도 이러한 대형 부품 보호는 시스템에서 발생할 것으로 예상되는 최대 충격 및 진동 응력을 초과했을 때 해당 부품을 제 위치에 고정된 상태로 유지하는 데 필요합니다.

성능과 궁극적인 한계를 평가하는 데 사용되는 시험 및 인증 프레임워크는 배포된 솔루션의 성공 또는 실패에 크게 기여해야 합니다. 물론, 대부분의 시스템 설계자는 일정 수준의 설계 검증 시험(DVT, 벤치 테스트라고도 함)을 수행합니다. 하지만 (특히 한계점까지) 고장 레버를 체계적으로 누르는 신중하게 조성된 실험에 UUT(시험 대상 장치)를 투입하면 신뢰할 수 있는 매우 뛰어 설계와 허용 가능한 괜찮은 설계를 구분할 수 있습니다. 이러한 시험군은 시스템이 평생 동안 볼 수 있는 극단적인 응력을 에뮬레이트하여 보다 합리적인 개발 기간(즉, 사용 연수를 나타내는 몇 주/몇 달에 걸친 시험)에 고장 메커니즘을 노출시킨다는 점에서 “초가속” 범주에 해당합니다. 이러한 종류의 시험은 실험실 환경에서 간단한 벤치 테스트로 수행하기에는 적합하지 않거나 안전하지도 않은 전기/열/기계적 응력을 사용할 수도 있습니다. 이 시험군의 몇 가지 예로는 설계 단계에서 설계를 고장 상태로 몰아가는 초가속 수명 시험(HALT)[4] 또는 프로덕션 환경에서 유닛을 지속적으로 샘플링하고 정기적으로 초가속 가속 수명 시험을 거쳐 지속적인 신뢰성을 평가하는 초가속 응력 스크리닝/감사(HASS/HASA)[5]가 있습니다.

첨단 전력 솔루션은 시스템 신뢰성을 어떻게 개선할까요?

전력 솔루션과 전체 시스템 신뢰성을 연계하는 주요 장애 지점과 전력 솔루션 전문가가 병목 현상을 특성화하고 고장 물리학을 기반으로 설계하기 위해 택하는 몇 가지 일반적인 접근 방식에 대해 이미 많은 논의가 있었습니다. 최첨단 어셈블리 제조에 대한 방법론에 관한 논의를 발전시키기 위해 전원공급장치 설계 및 제조의 구체적인 부분을 좀 더 깊이 탐구하는 것이 유용할 수 있습니다.

전기 기계 부품은 시스템에서 가장 일반적인 약점으로 확인되었으므로 해당 부품을 제거하기만 하면 확실하게 해결될 수 있을 것 같지만 실제로는 쉽지 않습니다. 팬이 부피가 크고 기계적 고장이 발생하기 쉽다는 사실을 아는 것은 팬 없이는 대상 작동 영역을 유지할 수 있을 정도로 부품을 식힐 수 없다는 의미가 아닙니다. 지능형 전원 관리 기술과 함께 다른 열 완화 기술(예: 방열판/분산)을 활용하여 우선 소비를 줄이기 위한 관리 기술을 활용하는 것이 팬을 사용하여 강제 공기 순환이 필요한 시스템과 복사 또는 대류에 의해 냉각될 수 있는 시스템 간의 차이를 만드는 요인일 수 있습니다. 실제로, 효율은 솔루션의 소산 전력에 반비례하므로 와이드 밴드갭(WBG) 반도체 또는 감소된 커패시터 리플과 같이 전력 솔루션의 전반적인 기능적 정류 효율을 향상시키는 것이 이러한 가치 제안에 추가되었습니다.

표면 실장(SM) 패드로 쓰루홀(TH) 핀 교체는 전력 솔루션에서 증가하는 추세이며, 최근 몇 년 동안 이루어진 많은 첨단 패키징 혁신 중 하나에 불과합니다. SM 기술 자체가 새로운 것은 아니지만 패키지 리드 프레임 및 반도체 부품에서 외부 인쇄 회로 기판(PCB) 및 방열판/히트 스프레더로 고전류/열 부하를 보다 직접적으로 전달하는 기능은 3차원 전력 패키징(3DPPR) 기술의 도움으로 특히 크게 발전했습니다 [6]. 또한 납땜 접합부는 품질 관리자와 간헐적으로 발생하는 현장 문제를 디버깅하는 담당자 모두가 자주 불평하는 원인이기 때문에 더 깨끗한 부착 방법은 IPC-610[7]과 같은 향상된 납땜 표준의 사용을 불러옵니다.

수작업으로 배선되는 솔루션을 최대한 많이 자동화된 솔루션으로 전환하는 것은 특히 마그네틱의 맥락에서 이전에 논의되었습니다. 최신 패키징 및 이기종 통합 기술은 평판형 마그네틱을 통합하여 이러한 전환을 한 단계 더 발전시킵니다. 이 작업은 마그네틱의 권선을 PCB의 신중하게 제어되고 반복적으로 배치되는 트레이스(보통 다른 시스템 구성 요소와 동일한 트레이스)에 통합한 다음 마그네틱 구조를 형성하기 위해 트레이스 주위에 마그네틱/코어 재료를 둘러싸는 방식으로 수행됩니다. 이렇게 하면 신뢰성이 떨어지는 부품을 완화하고 규모의 경제와 제조 자동화를 추진하는 동시에 크기를 줄이는 것부터 빠듯한 공차로 매우 복잡한 형상을 만드는 등 다양한 이점을 누릴 수 있습니다. 또한 평판형 마그네틱은 먼지, 습기 및 외부 공기 중의 전도성 입자와 같이 시스템 신뢰성을 저해하는 환경 요인으로부터 보호하기 위한 인쇄 회로 어셈블리(PCA)의 향상된 컨포멀 코팅 및/또는 기밀 밀봉을 용이하게 할 수 있습니다.

부품 추적과 관련된 제조 프로세스 및 문서화에 대한 최신 개선 사항은 점점 더 복잡해지는 어셈블리에도 불구하고 전력 솔루션에 의해 구동되는 시스템 신뢰성의 거의 직관에 반하는 개선에 크게 기여합니다. 개선된 추적 가능성과 인도적 원자재 조달에 대한 전 세계적 관심으로 전원공급장치에 사용된 단일 부품의 로트/날짜 코드로 출처를 역추적할 수 있을 뿐만 아니라 국가까지 역추적하거나, 이전에 조달한 곳에서 재료를 채굴할 수도 있는데, 이 모두가 전원공급장치의 일련 번호를 조회하여 얻은 정보입니다. 이러한 수준의 추적 및 추적 가능성은 파일 캐비넷의 문서에서부터 부품 키팅에서 최종 포장/테스트/선적, 심지어는 현장까지 어셈블리를 추적할 수 있는 고유한 디지털 ID로 발전한 수년간의 문서 작업 및 데이터베이스 캡처로 가능합니다. 조립 라인의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 원활한 흐름 외에도 재작업된 부품/PCA의 품질에 기여하는 이러한 고급 문서화 프로세스의 중요성에 주목해야 합니다. 경로를 따라가다 보면 중간에 중요한 경로를 놓쳐 장치에 대한 조사가 실제로 미궁에 빠지기도 했습니다. 그러지 않았다면 장애 분석의 근본 원인으로 이어져 시스템 신뢰성을 위한 지속적인 최적화를 촉진했을 것입니다. 제조 라인 운영자의 단기적 편의를 위해 보드가 잘못된 솔더 리플로우 오븐에서 지원되지 않는 열 프로파일을 통과했는지 어떻게 알 수 있을까요?

결론

모든 시스템은 시스템의 가장 약한 지점만큼만 강력하며 전원공급장치는 시스템 신뢰성을 극대화하기 위해 많은 잠재적 병목 현상을 제공합니다. 결국 전력 솔루션은 부품 수 및 설계 복잡성 측면에서 다른 하위 시스템 또는 부품만큼 까다로울 수 있으며 전체 시스템 설계 자체와 경쟁할 수도 있습니다. 이 점을 깨닫고 내면화하면 이러한 약점을 지구상에서 가장 강력하고 신뢰할 수 있는 시스템으로 바꿀 수 있습니다(또는 수리를 위한 보증 반환이 없는 우주 응용 분야에서는 그 이상을 기대할 수 있음).

전력 솔루션의 고장 물리학은 수십 년 동안 매우 철저하게 연구되어, 이제 설계자는 광범위한 도구와 지침을 손쉽게 사용할 수 있습니다 이러한 유용한 솔루션은 특정 산업 및 응용 분야에 더 구체적일 수 있습니다. 하지만 하나의 시장 또는 수직 시장에 맞게 맞춤 제작되었더라도 다른 시장에 적용하는 데 여전히 매우 유용하고 접근 가능(예: 저렴)할 수 있습니다. 예를 들어, IPC-9592B[8]와 같은 표준의 정격 감소 지침 및 가속 수명 시험은 더 큰 컴퓨터와 통신 시스템을 염두에 두고 개발되었지만 신뢰할 수 있고 저렴한 소비자 제품의 제작을 용이하게 할 수도 있습니다. MIL-HDBK-217 [9] 및 MIL-HDBK-338B [10] 등과 같은 표준은 군용으로 개발되었지만 신뢰성이 매우 높은 다른 응용 분야에도 활용할 수 있습니다.

참고: 이 문서의 일부에 표시된 날짜에 주의하세요. 일부는 꽤 오래되었을 수 있으므로 특정한 중점 응용 분야에서 사용되는 경향이 있는 항목은 자세히 살펴 보세요. 또한 모든 데이터/가정이 해당 응용 분야에 적합한지 확인하기 위해 지침 활용으로 이어지게 된 참조 문헌 및 배경 정보에도 주의를 기울이세요.

다행스럽게도 오늘날의 설계자들은 다양한 제조 프로세스와 호환되는 사용자 친화적인 폼 팩터에서 믿을 수 없을 정도로 안정적인 드롭인(Drop-in) 전력 솔루션을 보유하고 있습니다. 고급 패키징 및 3DPPR 기술은 시스템 설계자에게 통합 전력 솔루션과 함께 제공되는 장점과 견고함을 제공하는 동시에 첨단(State-Of-The-Art, SOTA), 상용 기성품(Commercial Off The Shelf, COTS) 전력 하위 시스템을 활용합니다.

참고 문헌

1] 위키피디아 기고자, “Mean time between failures," 무료 백과사전 위키피디아, https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Mean_time_between_failures&oldid=1128168769(023년 3월 06일 접속).

[2] 위키피디아 기고자, "Arrhenius equation," 무료 백과사전 위키피디아, https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Arrhenius_equation&oldid=1123333780(2023년 3월 06일 접속).

[3] 위키피디아 기고자, "ISO 9000," 무료 백과사전 위키피디아, https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=ISO_9000&oldid=1143191589(2023년 3월 06일 접속).

[4] 위키피디아 기고자, "Highly accelerated life test," 무료 백과사전 위키피디아, https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Highly_accelerated_life_test&oldid=1114242261(2023년 3월 06일 접속).

[5] 위키피디아 기고자, "Highly accelerated stress audit," 무료 백과사전 위키피디아, https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Highly_accelerated_stress_audit&oldid=959928574(2023년 3월 06일 접속).

[6] “Introducing RECOM 3D Power Packaging® (3DPP),” RECOM 블로그, 2021년 2월 26일, https://recom-power.com/en/company/newsroom/blog/rec-n-introducing-recom-3d-power-packaging-(3dpp)-145.html(2023년 1월 23일 접속).

[7] IPC-A-610 개발 팀, "IPC-A-610 - Revision F - Standard with Amendment 1: Acceptability of Electronic Assemblies," IPC, Bannockburn, IL, 2016년 5월 9일. 구매 가능 위치: 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, 2012년 11월, 20페이지. 구매 가능 위치: https://shop.ipc.org/ipc-9592/ipc-9592-standard-only.

[9] “MIL-HDBK-217F: MILITARY HANDBOOK –RELIABILITY PREDICTION OF ELECTRONIC EQUIPMENT,” 미국 국방부, 1991년 12월 2일.

[10] “MIL-HDBK-338B: MILITARY HANDBOOK – ELECTRONIC RELIABILITY DESIGN HANDBOOK,” 미국 국방부, 1998년 10월 1일.