冗長電源構成の信頼性の評価
2024年5月6日、Bruce Rose著 - 5分の閲読
最近のCUIブログ記事で述べられているように、並列構成または冗長構成で電源の出力を接続することで、電力供給システムの信頼性を高めることができます。前の記事では、並列出力構成について説明し、ここでは冗長電源構成について説明します。
並列接続電源構成と信頼性のレビュー
簡単に見直すと、電源が並列に接続され、動作している場合、複数の電源によって、結果として生じる電力供給システムの信頼性を増減させることができます。結果として生じる電力供給システムの信頼性は、電源が動作する電力密度に依存します。またこの記事では、並列に構成された電力供給システムでは、単一の電源の故障により電力供給システム全体が故障する可能性があるとも言及されています。
前の記事では、高い信頼性（高いMTBF、平均故障間隔）のためにシステムのFIT（Failure In Time）率をどのように低くしたいかについても議論しました。また、並列電源がシステムのFITレートを上昇させ、システムのMTBFを低下させる方法についても取り上げました。
冗長構成電源システム
並列に構成された電力供給システムとは異なり、適切に設計された冗長電力供給システムでは、電力供給システムは、1つ以上の電源に障害が発生した場合に、適切な動作を継続します。冗長電力供給システムの設計は、電源が故障し始めると（出力電圧が超過し、許容可能な動作範囲を超える）、故障した電源がシステムから電気的に取り外され、交換電源がシステムに電気的に挿入される仕組みになっています。多くの冗長システムでは、電源が故障したという通知が表示され、故障した電源を物理的に交換できます。冗長電源システムの設計では、負荷電力に十分な電力出力定格を持ち、システム要件に対して許容可能な信頼性定格を持つ電源を使用する必要があります。
1+N構成で構成された冗長電力供給システム
最もシンプルな冗長電源構成は、1+1トポロジです。1+1構成では、二つの電源は、第一の電源の故障が検出された時に、一つの電源が通常負荷に電力を供給し、第二の電源が電気的にスイッチインされて負荷に電力を供給する（そして第一の電源が電気的にスイッチアウトされる）ように構成されています。冗長構成が1+1の電力供給システムの信頼性は、各供給の信頼性を個別に合計したものです。多くのアプリケーションでは、故障が検知された直後に修理担当者が故障した電源を交換することができ、高い信頼性のシステム動作が保証されるのは妥当です。修理担当者のサポート保証が難しい場合、または電力供給システムの継続的な動作が絶対的に必要とされる場合は、複数の冗長電源（1+N構成）を備えたシステムが必要になる場合があります。1+N冗長システムは1+1冗長システムのようなものですが、複数の冗長電源装置を備えているため、複数の電源装置に障害が発生した場合は、他の複数の電源装置と交換できます。
N+1冗長構成
N+1構成は冗長トポロジと呼ばれることが多いですが、それは代わりに並列トポロジと冗長トポロジの複雑な組み合わせになります。この構成では、複数の電源が出力と並列に接続され、障害が発生した場合は、並列電源の1つを交換するために、追加の電源がスタンバイ構成に配置されます。
N+1電源構成では、並列出力構成と同様に、Nアクティブ電源間でバランスの取れた電流共有を確保するための手法を使用する必要があります。+1冗長動作の場合、電源供給システムの出力負荷電流を適切に共有するために、故障した電源の出力を切断し、冗長電源の出力を接続し、冗長電源を制御する方法が必要です。
冗長構成を作成するためのスイッチ
パッシブダイオード
冗長電源設計を実装する最も簡単な方法の1つは、2つの電源の出力と直列にパッシブスイッチ（ダイオード）を配置し、ダイオードの陰極を一緒に接続することです。これはダイオードORingと呼ばれます。
パッシブダイオードORingは、冗長電力供給システムを構築するための安価なソリューションですが、いくつかの課題もあります。電源、ダイオード、レイアウト、および動作環境が同一である場合、2台の電源は負荷電流を均等に共有しますが、これは冗長電力供給構成では望ましくありません。一次電源に障害が発生するまで、一次電源によってすべての出力電力が供給され、冗長電源によって供給されないように、いくつかの方法を実装する必要があります。ダイオードORing 構成の出力電圧調整の品質は、ORingダイオードの陰極での電圧を感知するためにリモート電圧検出が使用されない限り劣化します。
冗長電源のためのパッシブダイオードORingのもう一つの問題は、ORingダイオードの電力損失が電源変換効率を低下させることです。
アクティブなFETスイッチ
冗長電源を電気的に絶縁する別の方法は、電源の出力と直列に配置されたダイオードではなく、アクティブスイッチ（FET）を使用することです。FETを使用する主な違いと利点は、FETによって引き起こされる電圧降下、ひいては電力損失がダイオードによって引き起こされるものよりもはるかに小さくなるように、FETを選択することができることです。FETの動作は、2つの電源の相対出力電圧に関係なく、選択解除されるまですべての負荷電流を提供するように1つの電源を選択できるように制御することもできます。絶縁スイッチとしてFETを使用することの欠点は、FETの動作を制御するために回路を実装する必要があることです。シリコン電力FETは、FETのソースとドレインの間に接続された寄生体ダイオードを含むことに注意してください。いくつかのアプリケーションでは、2つのFETは、2台のボディダイオードの構成が、FETがオンに構成されていないときに、いずれかの方向の電流の流れを遮断する役割を果たすように背面同士で配置することができます。
ダイオードまたはFETのいずれを使用する場合も、絶縁スイッチコンポーネントの電流定格は、損傷することなく電源出力電流を伝導できる十分な大きさでなければなりません。
概要
幸い現在では、2台の電源を1+1または1+Nの冗長構成で動作させて、中断のない電力供給動作を確保できることが明確になってきています。N+1冗長化の概念は、並列動作と冗長動作の融合で、両方の状況に適用される設計上の考慮事項が必要です。
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Bruce Rose
Bruce Rose は、エレクトロニクス業界で長年にわたり、設計、販売、マーケティングを担当し、アナログ回路と電力供給に重点を置いてきました。国際的なワークショップを開催し議長を務め、40以上の技術会議で論文の出版や発表をするなどの職務経験に加え、7件の特許を取得しています。Bruce は自分の仕事はもちろん、家族でハイキング、サイクリング、カヌーを楽しみ、また本格的な模型飛行機にも情熱を注いでいます。