電源装置とは、1つ以上の電気負荷に電力を供給する電気機器です。その主な機能は、電源からのエネルギーを負荷が必要とする対応する電流、電圧、周波数に変換することで、電気エネルギーを負荷に適合させることです。 電源は また、負荷電流を制限し、故障時にはそれを遮断することで、供給先の負荷を保護する役割も果たします。これらの機器は、電子ノイズを防止し、力率改善を実現するために出力電力を調整する機能も備えています。

この記事では、電源のさまざまな種類について説明し、なぜ ファンレス電源 が最高の性能を発揮できるのかを検証します。

リニアレギュレータとスイッチング電源（SMPS）

電源は、大きく2つの主要なタイプに分けられます。リニア方式の安定化電源とスイッチング電源（SMPS）です。

リニアレギュレータは交流（AC）を安定した直流（DC）に変換します。トランスを使用して、高電圧AC入力と低電圧DC出力の間にガルバニック絶縁を確保し、入力からのノイズを除去し、整流されてDC出力電圧となる入力AC電圧を降圧します。リニア方式の安定化電源は効率が低く（30～60パーセント）、これは電力損失が大きく、放熱すべき熱量が多いことを意味します。

スイッチング電源は高効率（80パーセント以上）で、先進的な性能を備えています。SMPSは入力される商用周波数電圧を高周波AC電圧に変換し、その後小型トランスを使ってより低い電圧に降圧します。その後、電圧は整流、フィルタリング、調整され、安定したDC電圧として出力されます。

SMPSはリニアレギュレータと比較して設計が複雑でコストも高くなります。しかし、リニアレギュレータと比較して、小型の筐体や過度な発熱を伴わない非常に高い効率など、数多くの利点があります。

電源効率の重要性

電源効率とは、総出力電力と入力電力の百分率比のことで、通常はフルロードおよび定格入力電圧において規定されます。

例えば、電源装置の効率が50パーセントで、要求される負荷電力が100Wの場合、総入力電力は200W必要になります。残りの50パーセントの入力電力は主に熱として無駄になり、装置の損傷を防ぐために適切に放熱する必要があります。これは高効率電源がいかに重要であるかを示しています。高効率電源は損失が大幅に少なく、そのため温度上昇が抑えられ、同じ出力電力を得るために系統から消費する電力も少なくて済みます。

電源装置の効率は一定ではなく、環境条件や負荷条件に依存します。一般に、電源は定格負荷の50パーセントで動作しているときに最大効率となります。電源は110V ACよりも230Vで供給されたときの方が効率が高くなります。近年では、定格負荷の50～100パーセントの範囲でも常に高効率を維持できる先進的なモデルが市場に登場しています。例えば、図1の図は MEAN WELL UHP-2500シリーズ の供給電圧と負荷に対する効率曲線を示しています。 

電源効率100パーセントを達成することは不可能です。しかし、先進的な設計と適切な部品を用いることで、高い効率を実現することは可能です（例えば、図1の MEAN WELL UHP-2500 は最大96パーセントの効率を達成しています）。電源における損失は受動部品と能動部品によって発生し、SMPSよりもリニア電源においてより多く発生します。SMPSの電力損失は主にスイッチングデバイス（MOSFETやダイオード）で発生します。その他の損失はコンデンサやインダクタによって発生します（これは高度な低抵抗部品を使用することで低減できますが、通常はコストが高くなります）。受動部品の損失には、抵抗損失（I2R）、コンデンサ損失、コアおよび巻線の誘導によるインダクタ損失が含まれます。能動部品の損失は主にMOSFETとダイオードによる導通損失およびスイッチング損失によって発生します。

SMPSはコストが高くなる場合がありますが、その高効率によって電気代を節約できます。また、より信頼性が高く、ノイズが少なく、必要な冷却も少なくて済みます。スイッチングデバイス、高耐久コンデンサ、優れた特性を持つチョークなど、高品質な部品を使用しています。リップルの少ない、より優れた出力電圧を生成し、ノイズや発熱を抑え、より優れた電圧調整を実現します。

電源の冷却方式

電源は熱を発生させ、それが回路内の部品を損傷させる可能性があります。このため、電源には過剰な熱を放散するための冷却システムが必要です。以下は、最も一般的に使用される熱伝導または冷却方式です。

1. 自然対流 は、空気が自然に流れて機器から熱を運び去る、シンプルな対流冷却方式です。自然対流は、追加の機械部品を必要としない、シンプルで低コストな冷却オプションです。この冷却方式は放熱能力が低いため、これを使用する電源は安全な動作温度範囲が限られます。
2. 強制空冷 は、1つ以上のファンを使用して自然対流を強化し、より高い動作温度を可能にします。ファンは追加の電力を消費するため、電源効率を低下させます。また、定期的なメンテナンスと交換も必要です。この冷却方式は、スペースが限られている用途には実用的ではありません。
3. ヒートシンク は、より温度の低い部品（フィン付きのヒートシンクやフィンなしのコールドプレート）との直接接触を通じて熱を伝導します。フィン付きのヒートシンクは空気と接触する表面積が大きいため、より速い放熱が可能です。より優れた放熱効果を得るために、強制空冷と組み合わせて使用されることがよくあります。ただし、ヒートシンクはより多くのスペースを必要とするため、一部の用途での使用が制限されます。コールドプレートは、機器から熱を伝導させるために使用される厚い金属板です。シンプルさと省スペースが重要なパラメータとなる用途で使用されます。
4. 液冷 は、閉ループの冷却液を循環させる内蔵チューブを備えたコールドプレートで構成されます。この冷却液はベースプレートを非常に安定した温度に保つのに役立ち、熱伝導をできる限り効率的にします。ファンを必要としないため、液冷はあまりスペースを取りません。液冷は優れた放熱性能を持ち、騒音や振動を発生させず、電源の寿命を延ばします。しかし、より複雑な設計が必要となるため、液冷はコストが高くなります。液冷は、産業用レーザーや充電ステーションなど、大量の熱を発生させる用途で一般的に使用されます。

液冷電源は非常に高い出力電力で設計することができます。例えば、MEAN WELLの液冷電源である PHP-3500シリーズは、最大3,500Wの出力が可能です。また、アクティブ電流分担機能を備えており、最大4台の並列ユニットで最大14,000Wを供給できます。

以下の動画は、MOSFETとコンデンサにおける液冷と強制空冷の温度差を比較したものです。液冷は強制空冷と比較して温度が6～18°C低くなります。

コストは高くなりますが、液冷電源は強制空冷が適さない用途に対して最も効果的なソリューションです。多くの用途において、電源にファンを追加することは信頼性の低下、コストの増加、騒音の発生、メンテナンス上の問題を招くため、強制空冷は避けるべきです。

ファンレス電源（下記の図2にあるMEAN WELL UHP-2500など）は、ファンの故障に関する問題を回避し、メンテナンスコストを削減します。ファンレス電源は、完全な静音性が求められる環境にも適しています。

電源とパワーマネジメント

パワーマネジメントは、システムへのDC電源の制御、調整、分配を行うため、あらゆる電子システムにおいて重要な機能です。パワーマネジメントは信頼性、性能、コストに影響を与えます。

先進的な電源には、プログラマブル電圧・電流（PV/PC）機能が搭載されており、外部DC制御信号によって出力電圧を50～120パーセント、電流を20～100パーセントの範囲で調整することができます。さらに、インテリジェントな電源を実現するために、通信プロトコル（PMBusやCANBusなど）を搭載することもできます。一般に、電源出力の調整方式には、外部アナログ信号インターフェースとデジタル制御インターフェースの2種類があります。

外部アナログ信号インターフェース制御技術は、外部電圧を使用して電源の出力電圧を制御します。アナログ電源は安定しており信頼性が高いですが、柔軟性には限りがあります。状態を監視することはできますが、制御は通常、1パラメータにつき1つの可能な反応に限られます。外部アナログ電圧入力は通常1～5Vの範囲です。外部電圧を印加することで、出力電流を定格電流の20～100パーセントに調整できます。図3は、外部DC電圧を使用した出力電流調整の図を示しています。

デジタル制御は、高レベルの情報へのアクセスを提供し、より柔軟な出力を可能にします。下表は、デジタル化された電源設計の利点を示しています。

電源のデジタル制御に最も広く使われている通信プロトコルは、PMBus（電源管理バス）です。PMBusは、設計を簡素化し、デジタル制御電源システムの複雑さを軽減するオープン標準の電源管理プロトコルです。CANBus（コントローラ・エリア・ネットワーク）も通信プロトコルの一つです。PMBusプロトコルのコマンドと機能の大半を実行でき、両者の主な違いは信号方式です。CANBusとPMBusのどちらを選ぶかは、用途固有のニーズによって決まります。MEAN WELLは、すでにPMBusを統合している製品向けに、オプションのCANBusモデルを提供しています。

PMBusプロトコルを内蔵した電源は、エンドシステムが電圧、電流、温度などの電源のさまざまな動作パラメータを監視・制御できるようにします。ファンレス電源とPMBusプロトコルを組み合わせることで、長期的な信頼性と設置の柔軟性が大幅に向上し、よりコンパクトでインテリジェントなエンドシステムを実現できます。例えば、PHP-3500は最大100kHzのバス速度でPMBusをサポートしており、情報の読み取り、ステータスの監視、出力の調整が可能です。

ファンレス電源とパワーマネジメントの利点についてさらに詳しく知るには、 MEAN WELLのUHPおよびPHP電源をご覧ください。

 

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