並列電源が信頼性に与える影響
2024年3月19日、Bruce Rose著 - 7分の閲読
目次
一部のシステム設計では、電力供給システムの信頼性が重要になります。システムの信頼性を高めるための2つのトポロジとしては、電源を並列で動作させるか、冗長構成で複数の電源を動作させるかのいずれかになります。本記事では、並列で動作する電源の信頼性について議論し、2番目の記事では、冗長な電力供給システムについて議論していきます。システム負荷への電力供給量を増加させるために複数の電源からの出力を並列に接続すると、電力供給システムの信頼性に影響が出てくる可能性があります。
ブログ出力パワーを増加させるための電源の並列または直列接続では、システムに必要な電力を供給するために複数の電源を使用するという概念について紹介しています。この記事で論じられているように、設計者は、通常、負荷に利用できる電力を増やすために、電源の出力を並列に接続します。本記事では、複数の電源を使用することで、電力供給システムの信頼性がどのように影響を受けるかについて説明します。
並列電源
並列で電源を構成すると、使用できる出力パワーレベルは増大しますが、電力システムの信頼性は増大することもあれば、低下する場合もあります。この電源を並列に接続することによって電力供給システムの信頼性が変わることに関しては、システム設計と個々の電源の特性に依存するため、一般化することはできません。
故障率
まず、「故障率」という用語の意味について議論し、次に、この用語がコンポーネントにどのように適用されるか、そしてさらにコンポーネントで構成されるシステムにはどのように適用されるかについて見ていきましょう。故障率は、定義された期間内に発生した故障を表す統計値です。
電子製品の信頼性の計算に適用される一般的な故障率は、FIT（Failure In Time）です。そして、これは10億（109）時間の動作で発生すると予想される故障の数になります。
システムの故障率 (FIT) を計算する 1 つの方法として挙げられるのは、システム内の各コンポーネントの FIT を計算することです。次に、システム内の各コンポーネントの FIT の値を合計することで、システム FIT を計算することができます。
システムの故障率を計算する
n個のコンポーネントで構成されるシステムについては、それぞれFITがfの場合、システムFITは n*fになります。FITの値が大きいほど、信頼性が低く、特定の時間でより多くのエラーが発生することになります。
今述べたことを出力を並列に接続した状態の電源に適用すると、電源の数が増えるにつれてシステムの故障率が増加する（信頼性が低下する）可能性があることが示唆されます。並列電源バンク内の単一の電源の故障が、電力供給システムの故障につながる可能性があるいくつかの方途には、以下のものがあります。
システムが並列に接続されたn台の電源で設計されており、負荷に必要な電力を供給するのにすべての電源が必要な場合、1台の電源が故障すると、他の電源は必要な出力パワーを供給することができなくなり、電力供給システムが故障します。
1台の電源が並列接続された複数の電源の障害を引き起こすもう1つの原因は、出力が短絡した状態で電源が故障した場合です。出力が短絡すると、残りの電源が必要な出力パワーを供給していたとしても、電力供給システムは故障します。
出力が並列接続された複数の電源を採用するかどうかについては、異なる構成で使用される電源の相対的な信頼性に依存します。以下の2つの例からわかるように、複数電源による電力供給システムの信頼性の変化を決定する前に、より詳細な情報を得ることが必要です。
例1：
設計1 – システムは、総電力供給が128Wで、2台の80W出力パワー電源が並列接続された電源で使うように設計されています。実際には、負荷電流共有量は正確ではありません。しかし、分析の目的上、各供給量は64Wのシステム負荷電力で128Wの出力電力（定格出力パワーの80%）を供給すると仮定します。
設計2 – 2番目の代替案として、40W出力パワーの4台の電源を選択することができます。この設計では、各電源は32W出力パワーを提供し、これも定格出力パワーの80%で動作します。80W電源と40W電源の設計が類似している場合、両方の設計のFITは、同様の条件（定格電力、周囲温度、空気流の割合など）で動作する場合は類似すると想定するのが合理的であるかもしれません。
この一連の前提では、2台の電源を並列にした設計1の電源の部分は、4台の電源を並列にした設計2のシステムと比べて、より信頼性が高く、半分のFIT（信頼性は2倍）になります。
- 設計1 FIT: 各電源がFIT = f、システムFIT = 2*fの2台電源のトポロジ
- 設計2 FIT: 各電源がFIT = f、システムFIT = 4*fの4台電源のトポロジ
上記の計算は、システムの電源数が増加するにつれて、各電源のFITが一定に保たれるように、電源が選択されていることを前提としています。システムが固定の負荷を持ち、システム内の電源数が同じ電源を使用して増加する場合、電源が増えるにつれ各電源はより低い負荷電流で動作します。
多くの電源設計の場合、電源は低い出力パワーレベルで動作するため、FITは減少します（電源の信頼性が高くなる）。したがって、並列に配置された電源の数を増やすと、各電源のFITがFITの合計の増加よりも速く減少すれば、システムFITは減少します（システムの信頼性が増加する）。
例2：
設計1 – この2番目の例では、同じ128W システム負荷が使用され、それぞれ同じ初期設定の、2台の80W定格電源が評価されました。電源システムのFIT（および信頼性）は、最初の例の最初の設計と同じです。
設計2 – 80W電源4台を組み込んだ設計を選択した場合、各電源の供給は32Wであり、したがって定格電力の40%で動作します。
ここでは一般化は適用されなくなり、仮定を検証する必要があります。最大電力の40%で動作する電源のFITが、最大電力の80%で動作する電源のFITの半分未満である場合、2台の電源ではなく4台の電源を使用することで、電力供給システムの信頼性が向上します。
- 設計1 FIT: 各電源がFIT = f2; システムFIT = 2*f2の2台電源のトポロジ
- 設計2 FIT: 各電源がFIT = f4; システムFIT = 4*f4の4台電源のトポロジ
- どちらの信頼性が高い構成であるかを決定するには、追加情報が必要です。
概要
この負荷に供給する電力を増やすために、電源の出力を並列にすることは一般的な慣行です。この構成の多くでは、1台の電源のエラーにより、電力供給ネットワーク全体の障害が発生します。電力供給ネットワークの信頼性を知りたい場合は、動作条件下での負荷電流バランスの有効性と個々の供給品の信頼性を理解する必要があります。
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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。