2020年 電源装置故障のトップ5原因──洞察と予防策

電源装置故障の概要：

電源装置は全電子システムの心臓部です。電源に障害があれば電子システムは停止します。電源故障には多くの原因がありますが、いくつかの予防策で故障とシステム停止を防げます。

本記事のデータは、ExcelsysとPower Clinicの研究（1600社以上から12,000モデル以上の故障データ収集）、およびRidley EngineeringのRay Ridley博士によるLinkedIn「Power Supplies」グループ（6,000名以上のメンバー）での調査に基づきます。産業・医療・軍事・科学分野の全電子システムタイプを対象としています。

電源故障の最も一般的な原因：

ほとんどの電源故障は温度に関連しています。物理学の基本法則では、電源温度を40℃以下に保ち、さらに10℃下げるごとに平均故障間隔（MTBF）が2倍になります。逆に10℃上昇ごとにMTBFは半減します。MTBF（Mean Time Between Failures）は、電子システムの固有故障間の予測時間、またはシステム故障の算術平均間隔です。

近年、金属シャーシからプラスチックシャーシへの移行が進み、熱特性と電磁特性に影響を与えています。電源システム周辺の熱管理を適切に行うことが目標です。

• コンデンサ

ほぼ全てのコンデンサ技術には、適切に設計されていない場合の欠陥があります。コンデンサは容易に過ストレス状態になり、故障しやすい部品です。漏液、膨張、爆発・短絡、容量低下、ESR上昇など多様な故障モードがあります。過熱、経年劣化、逆極性、実装時のダメージも原因です。

コンデンサ起因の故障を防ぐには、高品質コンデンサを使用し、過熱を防ぎ、リップル電流を監視して過ストレスを避けてください。

• パワー半導体部品

パワースイッチング素子（MOSFET等）も電源システムの主要部品で、故障原因となり得ます。MOSFET（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）はソース・ゲート・ドレインの3端子デバイスで、電子信号の増幅・スイッチングに用いられます。

パワーMOSFETはDC-DCスイッチング電源で最も一般的なパワー半導体です。放熱不良、ドレイン過電圧/過電流、ゲート過電圧、内蔵アンチパラレルダイオードの過ストレスで故障します。適切な設計、ディレーティング、テストで故障を防ぎます。

• 制御IC

制御ICは誤適用・誤用されやすく、電源に影響を与えます。クロック動作不良や不適切なPCBレイアウトによるノイズ・発振が原因です。電流制限、ゲートドライブ、配線間隔、ソフトスタート、制御ループ測定に注意を払う必要があります。ICに欠陥があればMOSFETに直接影響するため、制御ICの信頼性確保が重要です。

• 環境要因

これが最も一般的な電源故障原因です。湿気侵入、サージ・トランジェント、誘導雷サージ、雷直撃、回生モータードライブ・バッテリー充電・スーパーキャパシタ等のリアクティブ負荷などが含まれます。

これら環境起因故障の一部は、適切な設計・テストや保護回路追加で防止可能です。

• ファン

驚くべきことではありませんが、ファンは多くのシステムに搭載され、物理的に可動する部品として故障しやすいです。ファンはシステム発熱を拡散し過熱を防ぎます。ユーザーが後付けでファンを追加することもありますが、問題が移るだけで解決しません。サプライチェーンでの粗悪代替ファン混入も問題です。電源システムに粗悪品が混入していないか確認が必要です。

一方、ファンレスシステムには利点があります。湿気と粉塵から密封可能です。屋外設置では雨・湿気から保護できます。ファンを省くことでシステム信頼性を25%向上でき、故障を回避できます。必要でない限りファンレス設計を検討してください。Excelsysは600W出力のファンレス電源を発売しています。

結論：

電源故障原因は他にも多数ありますが、これらは最も頻発するものです。設計・製造段階から電源システムに十分な注意を払い、事前テスト済みの正規部品を使用するか、保証付きサプライヤーから調達してください。