ベンチトップ電源のプログラム可能性、ネットワーキング、リードレスリモートセンシング機能の応用

電源には、きわめて幅広い定格、物理的サイズ、およびフォームファクタがあります。電源のサイズ、効率性、コストを最適化することは、特にウェアラブル機器のような電力に制約のある用途では一般的なことですが、用途によっては電源ユニット（PSU）をすでにデプロイして使用している状態でユニットのパラメータを調整する必要があります。特にこれに該当するのは、ベンチトップまたは自動テストの用途や環境で使われるPSUです。

これにより、フィールドでさまざまな柔軟度を持つ電源が生まれており、オーバーザエア（OTA）ファームウェアアップデートで効率性を最適化するユニットから、常時オンのリモート監視/制御により電源アレイの精度、スケーラビリティ、冗長性、効果的な負荷バランスを確保するユニットまで、多岐にわたります。プログラム可能な機能性は、製品の設計および評価を加速し、システム機能を強化し、求められる柔軟性を可能にします。しかし、増え続ける数々のプログラム可能なオプションの中でも、特に際立つオプションがあります。

この記事では、高機能な新世代のPSUの役割、機能、特長について考察します。それらは、単に独自のエンクロージャに収納された自己完結型、スタンドアロンの高精度で応答性が高い電源というだけに留まりません。さらに、新世代の完全ネットワーク型プログラマブルPSUの特長、機能、それらの利点に注目し、例としてXP Powerから提供されるPSUを紹介します。

PSUとオープンフレーム電源との比較

多くの製品設計では、AC/DC電源はメインのプリント基板にねじ込まれる形で組み立てられるか、または隅に「押し込まれる」別の基板に組み入れられます。一方で、別個の単独電源ユニットを必要とする製品もあります。これらの電源（「シャーシ」電源または「オープンフレーム」電源とも呼ばれる）は自己完結型であり、必要なパッケージング、性能、規制要件などに準じています。その多くは、形状、フィット、機能に応じて、二次または代替電源として複数のサプライヤから調達されます。

このような電源の代表的な製品には、XP Powerの36V、4.16A、600Wオープンフレーム電源であるUCH600PS36などがあり、これらのデバイスはユーザーインターフェースが必要ないため備えていません（図1）。代わりにこれらは最終製品に組み込まれ、フィールドでユーザーが調整できる機能はありません。また最小限の入出力端子として、AC入力、DC出力、場合によってリモートセンシング用リードを備えています。

図1：UCH600PS36などのオープンフレーム電源は最終製品への組み込み用に設計されており、エンドユーザーがアクセスして各種の性能パラメータを調整する必要はありません。（画像提供：XP Power）

対照的に、エンジニアリングプロジェクトには使いやすい柔軟なインターフェースを備えた電源が必要で、スイッチ、ノブ、ソフトボタン、メータ、インジケータ、さらに英数字表示ディスプレイを備えるユニットもあります。このような完全に調節可能なPSUは、出力電圧、最大電流、電圧/電流制限などのパラメータを調整しやすいように設計されています。このタイプのPSUは、エンジニアリングチームの設計、試作評価、デバッグなどの作業におけるニーズに対応し、一般に「ベンチトップ」または「実験用」電源と呼ばれます。また、自動テスト装置（ATE）などの長期的な設備の一部として、使いやすいようにラックマウントに半永久的に固定して収納される場合もあります（図2）。

図2：「ベンチトップ」PSUはエンジニアのワークベンチで使用されますが、他のテストユニットと一緒にラックにマウントされる場合もよくあり、パッケージ化された完全な計測器設備を実現できます。（画像提供：UKARANet、United Kingdom Amateur Radio Astronomy Network）

現在のPSUは、数十年ほど前のPSUと基本機能は同じであっても、当時のPSUが処理していたよりも高度なニーズに対応する必要があります。PSUは、基本的な電圧と電流の表示、および出力電圧値の手動調整以外にも、手動で各種機能を操作できること、リモートアクセスに対応できることが求められます。

XP PowerのPLS600シリーズ プログラマブルDC電源などのPSUではこれを実現するために、整然とした使いやすいフロントパネル制御、およびUSB/Ethernet/アナログインターフェースなどのコネクティビティオプションを備えたリアパネルから、動作パラメータを調整できます（図3）。さらにPSUには、ユニット自体および負荷の状態を監視し、その状況をオンデマンドと例外の両方でダイレクトまたはリモートで報告する役割があり、これによりPSU自体とさらに大規模なシステムの信頼性が維持されます。

図3：PLS600シリーズのユニットのフロントパネル（上図）は機能的に整然とレイアウトされており、ユーザーアクセスとモニタリングの強力な機能をサポートします。リアパネル（下図）にはACコードとUSB/Ethernet/アナログインターフェース用のコネクタがあります。（画像提供：XP Power）

フロントパネルの機能（図3の1～7）はユーザーマニュアルに詳述されていますが、それぞれの部位は番号順に、電源オン/オフ、電流設定、電圧設定、出力オン/オフ、ディスプレイ、電源出力リードソケットとなります。

PLS600ファミリには、30VのPLS6003033 DCから400VのPLS6004002.5まで5種類のDC出力ユニットが含まれており、すべて最大電力定格600Wです。

完全なプログラム可能性による新たなメリット

PSUの1つの要素には「プログラム可能」なことがありますが、重要なのは、最新のPSUでその意味を明確にすることです。まず、PSUには固定ではなくユーザー設定可能な出力電圧が必要です。多くの場合、PSUはユーザー設定可能な電流源としても機能します。使いやすいように、これらの主要パラメータの値は必要に応じてフロントパネルから簡単に調整できます。デジタル表示と回転式コントロールを併用することで、目的の値の設定、調節、または「微調整」を最も快適にすばやく行うことができます。

ユーザー設定が可能な他のパラメータには、重要な過電圧保護（OVP）、過電流保護（OCP）、さらに過電力保護（OPP）があります。過電力保護は、PLS600 PSUの600Wの電力制限が心配の対象ではなく、電源ユニットの故障を防ぐために負荷が電源から消費できる最大電力量（電圧×電流）がどの程度かが懸念される用途に有用です。

電圧、電流、電力など各種の調整を、時間に追われデバッグとテストの重圧を受けながら行うと、各パラメータに設定した値を記録するのを忘れてしまう場合がよくあります。このような理由から、PLS600 PSUではパラメータ値をすばやく表示できます。また、それらの値はすべて内部に保存されるため、電源を入れるときに再入力する必要はありません。

このような基本的なプログラム可能性は、本格的な多用途PSUの一面にすぎません。多くのテストや評価の作業では、事前に定義されたリアルタイムの「スクリプト」を、ネットワーク接続に依存せず電源に実行させる必要があります。このため、PLS600シリーズには高度なスクリプト機能が統合されており、ユーザーは幅広い固有の要件に適したユーザー定義の出力プロファイルを生成するカスタムプログラムを記述し、それを電源にアップロードしてコマンドで実行できます。

これにより、電源は大規模システムでより高度な役割を果たすことができるため、製品性能シーケンステストまたは高度なライフサイクルテスト（HALT（Highly Accelerated Life Test）など）でその効果を発揮し、最終製品の電力サブシステムの特性に関連したわずかな異常を見つけるのにも役立ちます。

シンプルな機能からネットワーク化に及ぶコネクティビティと制御機能

ベンチトップPSUは、実地で制御するユーザーフレンドリーな基本コントロール機能にすぐにアクセスできるフロントパネルを備えていますが、これらの機能は効率的なシステムレベル電源には不十分です。PLS600シリーズでは、電圧および電流調整用に便利なロータリコントロールの他に、USB/Ethernet/アナログコントロール入力を介したリモートコントロールもサポートしています。

アナログ制御は時流に合わないようにも見えますが、基本的なリモート制御のシナリオを直接簡単に設定できます。また、レガシー環境で必要になる場合もあります。ベンチトップ計測器は寿命が長期にわたる傾向があり、IEEE-488汎用インターフェースバス（GPIB）ユニットが今でも使われているケースがあります。アナログ制御は、電源が閉ループ帰還構成で使用されている場合にも便利です。この構成では、検出または取得された電圧に基づいて電源電圧をリアルタイムで調整する必要があります。

このような基本的なアナログ制御に加えて、すべてのPLS600 PSUはLAN eXtensions for Instrumentation（LXI）の認証を受けており、LANベースの計測器を対象とする相互運用性基準を満たしています。標準のLabVIEWおよびIVI（Interchangeable Virtual Instrument）ドライバは、あらゆる標準的なソフトウェアで利用可能です。PLS600ユニットはStandard Commands for Programmable Instruments（SCPI）をサポートし、またユーザーが開発したSCPIベースのソフトウェアもサポートしています。USBおよびEthernet入力はSCPIに準拠しており、LabVIEWドライバはNational Instrumentsのウェブサイトから入手できます。設定値とリードバック値の信頼性を確保するために、これらのPSUには12ビットD/AコンバータおよびA/Dコンバータが組み込まれており、電圧と電流の正確な測定とレポートを可能にしています。

ネットワーク化されたリモートセットアップと、手動で値を変更する機能またはプログラム制御により変更する機能、および電源状態とアラーム状態のレポートの組み合わせは、単に便利なだけではありません。これにより、エンジニアがテスト対象のユニットを管理し、異常を探して発生時にそれらを関連付ける必要性が減ります。これをデータロガーまたはディープメモリと適切なトリガを備えたデジタルオシロスコープなどの機器と組み合わせて使用することで、長期的なテストを実行し、結果をダウンロードして包括的な分析に利用できます。

リモートセンシングと較正への対応

すべての電流通電リードと電源レールは、電流抵抗（IR）電圧（V）の降下の影響を受けます。オームの法則（V = IR）を使った基本的な計算により、その影響の程度が示されます。これにより、負荷で提供される電圧は、電源における公称値より数mV低いレベルから数十または数百mVも低いレベルまでのどこにあっても不思議ではありません。

この電圧降下に対処する1つの方法は、その降下に相当する量のPSU公称電圧を増やして補償することですが、これはあまり良いやり方ではありません。なぜなら、電流抵抗（IR）の降下は消費電流に応じて変化するため変動するからです。結果として、負荷での電圧は、電流および結果として生じるIRの降下が少ないときに、実際には高すぎる場合があります。

このため、解決策として一般的に行われているのは、2本のリードをケルビンセンシング構成で追加したリモートセンシングを使用する方法です。この構成では、負荷での実際の電圧が検出され、それが電源にフィードバックされます。これにより、負荷における電圧が常に目的の値になるように、出力が動的に調整されます。この方法は標準的な解決策として広く受け入れられており、通常は問題なく通用します。一方で短所もいくつかあります。

その1つは、2本の追加リードが必要になることです。些細な追加にも見えますが、ワークベンチが雑然とする原因にもなります。もう1つは、負荷に2つの低抵抗の接点を追加することが必ずしも容易ではないことです。特に負荷の接点がその目的に適合した設計でないと簡単ではありません。もし、#24AWGセンスリードを、電流通電#14/12/10AWG電源レール用に設計されたネジなどの端子に接続しようとしたことがあれば、その難しさを実感されたことでしょう。

さらに、これら2本の追加センスリードは単なる受動ワイヤにも見えますが、そうではありません。これらは電気的にアンプのフィードバックループを形成し、そのアンプがたまたま電源なのです。このようなフィードバックループがあると、拘束のない曖昧な定義のループが原因で、ノイズのピックアップや発振が発生する可能性が常にあります。このため、リモートセンシングはIR降下の問題を解決し得る反面、電源出力に発振が生じる性質の悪い問題を引き起こす可能性があります。そうなると適切なフィルタリングの追加も必要になりますが、そのようなフィルタリングは、電源の動的過渡応答を変質および劣化させる原因にもなります。

IR降下を誘発するリードを使わないリモートセンシング

リモートセンシングに絡む機械的、電気的な問題、そして審美的な課題を回避できるように、PLS600シリーズは専用技術を駆使してこれらの抵抗をデジタル的に補償し、余分なワイヤを必要としない代替方法を提供します。端的には、ユーザーがフロントパネルからリモートセンシングモードを呼び出し、負荷で負荷接続ワイヤを短絡し、PSU電流を少なくとも負荷が消費すると想定されるレベルに設定します（図4）。

図4：XP PowerのPLS600 PSUは、IR降下の前置補償を可能にする独自スキームをサポートし、余分なリモートセンスリードが不要です。（画像提供：XP Power）

このPSUは、負荷接続ワイヤの出力電流と総電圧降下を測定し、負荷接続ワイヤの抵抗を計算します。次にこのPSUは、出力電圧を電源端子でリアルタイムに調整し、負荷ケーブルの電圧降下を補正することができます。これにより、実際の設置場所でセンスリードを別途用意する必要はありません。

高機能PSUでは柔軟な較正も可能

通常、PLS600シリーズのようなPSUに較正は必要ありませんが、状況によってはユニットの出力電圧パフォーマンスを検証し、何らかの較正が必要になる場合もあります。PLS600シリーズで出力電圧と電流、および表示される電圧と電流を較正するには、いずれも較正済みの電圧計と電流シャントが必要です。

このPSUを較正モードに設定し、電圧計のみを接続した状態で出力をオープンのままにします。これで、PSUの表示値と電圧計の値が一致します。PSUパネルのボタンを押して値を登録します。次に、電流シャントを出力に接続し、電圧計をシャントに接続します。そしてPSU出力を調整し、外部電圧計が電源ディスプレイに表示される電流を正確に読み取るようにします（図5）。メータに表示される電圧は、使用される電流シャントの値に依存する（オームの法則による）ことに注意してください。

図5：XP PowerのPSUの較正は、簡単な2段階のプロセスで行います。まず開回路出力電圧を測定し、次に較正済み負荷シャントで電圧を測定します。（画像提供：XP Power）

電圧または電流を増強する方法

PLS600シリーズのPSUは、電圧定格と電流定格の異なる組み合わせで提供されていますが、より高いレベルの電流または電圧、あるいはその両方が必要になる状況が間違いなく生じることでしょう。その場合、より大きな電源を入手するのが1つの方法ですが、コスト上昇のデメリットがあります。もしその必要性が短期間に限られる場合は、コストアップは割に合わないかもしれません。もう1つの方法として、2台以上のPLS600 PSUを直列につなげて電圧を上げるか、並列につなげて電流を増やすことも検討できます。

しかし、そのような電圧または電流の増強を達成するには、単に2台の電源を直列または並列に接続すれば済むわけではありません。そのような方法で電源を結合すると、次の3つのいずれかに帰結する可能性があります。

1. この構成では必要な出力が得られず、構成を制御できず、電源自体が故障する可能性がある
2. この構成がある程度機能しても、必要な性能、精度、一貫性または信頼性が得られない
3. 運がよい（基本的に秀でたエンジニアリング手法ではない）、または意図した設計のいずれかにより、電源構成が全般的に支障なく機能する

上述の帰結#1と#2はまずい状況で受け入れがたいですが、これらの欠点をある程度回避する方法もあります。それには、慎重に選ばれた定格を持つ電流共有抵抗や分離ダイオードなどの外部部品を使用します（図6）。同様の方式は電圧ペアリングにも使用されます。たとえこの構成が通用しても、総合的な性能は2台の電源の小さい方の仕様、および追加部品間のミスマッチによって制限され、それらの部品によっても性能が低下します。

図6：電流共有抵抗（左）または分離ダイオード（右）などの外部部品を使用し、2台のPSUを並列につなげて電流能力を増強できますが、この方式では性能が低下します。（画像提供：XP Power）

結果として、基本的な考え方は、用途に適した定格を持つ単体の電源を使用する方が、2台以上の電源を並列または直列につなげるよりも各段に支障なく運用できるということです。しかしPLS600シリーズファミリのPSUのように、直列または並列での稼働向けに特別に設計された電源装置であれば、帰結#3の「正常に稼働する」望ましい構成を得られます。

PLS600 PSUを並列または直列に配置するには、1台の電源をマスターとして設定し、残りの電源をスレーブとして設定する必要があります。電圧ブーストには、最大2台の電源（電源は必ず同一）を直列に接続できます。また電流ブーストには最大4つの同一電源ユニットを並列で使用できます。マスターユニットとスレーブユニットの設定は、フロントパネルのコントロールから実施します。安全性と性能面の両方の理由から、いくつかの上限があることを理解する必要があります。

ラックアンドスタックによる利便性、規律、効率性

エンジニアのワークベンチは、傍から見ると整頓が行き届いた状態から目に余るほど散らかった状態までさまざまです。実際には、多くのワークベンチが最初は整頓された状態ですが、無造作に置かれた物が次第に「蓄積」し、その中に単体または複数台のPSUとそれらのリード線が加わると散らかりの一因にもなります。または、PSUをワークベンチに置かず計測器アセンブリの一部としてラックに収納する場合もあります。その理由には、次のいずれかが考えられます。

• PSUが独立した自動テスト装置（ATE）または長期的な評価プロジェクトの一部である
• すべての機器が目的の場所にあり全ケーブルが完全に整列されストレインリリーフが施されている状態にすることで、システムの完全性を確保して信頼性を高めるため
• 輸送と再設置の必要性

これらの理由から、XP PowerはPLS600 PSU用のPLS600ラックマウントキットを提供しています（図7）。

図7：XP PowerのPLS600ラックマウントキットにより、PLS600単体ユニットまたは横並びのペアユニットを標準のシャーシ機器ラックに簡単に設置できます。（画像提供：XP Power）

PLS600シリーズのどのユニットもエンクロージャサイズは同一のため、キットは全ユニットに対応します。このキットを使用すると、PSUを簡単な作業ですばやく取り付けられます。また、2台のPSUを並べて設置できます。

まとめ

ベンチトップ電源ユニットは、組み込み電源ユニットとは形状および機能的に大きく異なります。組み込みユニットにはユーザーによる制御や調整の余地がほぼないか皆無です。ベンチトップまたは「実験用」PSUは、試作の開発、デバッグ、テスト、および定位置固定のテストスタンドに欠かせない装置です。XP PowerのPLS600シリーズなどに代表される優れた設計の機能豊富な実験室用PSUは、効率的で柔軟な使用のニーズに応える優れた性能と新たな能力や機能性を備えており、便利なフロントパネル制御からネットワークへのアクセス、スクリプトドリブンのプログラム可能性まで、幅広い機能を提供します。

参考：

1. XP PowerのAC/DC電源、PLS600シリーズ
2. XP Powerのユーザーマニュアル、PLS600シリーズプログラマブルDC電源
3. XP Powerのユーザープログラミングマニュアル、PLS600シリーズプログラマブルDC電源