電源回路の安全設計で部品メーカに要求すること

Size: px

Start display at page:

Download "電源回路の安全設計で部品メーカに要求すること"

かずひろみょうだに
5 years ago
Views:

1 電源回路の安全設計で部品メーカに要求すること JEITA 標準化専門委員会電源グループオリジン電気 ( 株 ) 技術部寺本進

2 電源回路の安全設計で部品メーカに要求すること 1. 電源の安全上の位置づけ 2. 電源に要求される安全規格 3. 電源の安全性の評価 4. べからず集 ( 部品使用に関しての失敗事例 ) 5. まとめ部品メーカに要求すること 2

3 1. 電源の安全上の位置づけ (1) スイッチング電源は情報通信機器や AV 機器をはじめほとんどの電気電子機器に使用されていますまた太陽光発電システムなどの再生可能エネルギー用途や屋外設置製品などに広く使用されており安全規格の対応範囲が広がっています電源出力の一部は他の電気電子機器とのコミュニケーションラインにも使用されており一般使用者が直流出力に触れる可能性があるため特に絶縁に関して厳しい安全基準が設けられています使用者の生命財産の保護の立場から主要各国では電気電子機器に関して安全基準を制定しており販売に先立ってはこの基準をもとに製品の安全性確保が要求されています 3

4 1. 電源の安全上の位置づけ (2) 電源は各国安全規格を取得すると共に特に感電事故を防ぐためガード注意表示等を施し漏えい電流の抑制に配慮しています万一の故障による事故においても発煙発火しないように取り組んでいます電磁環境保全として電磁的両立性 (EMC) が規定されていますノイズを出さない (EMI) 受け取らない (EMS) 4

5 2. 電源に求められる安全規格 (1) 絶縁に関する要求事項としては沿面距離空間距離耐電圧絶縁抵抗漏えい電流特に商用電源と直流出力間を絶縁するトランス等の部品には感電防止の為特に強化された絶縁である二重絶縁 ( 強化絶縁 ) が要求されています構造に関する要求事頂としては電源及び接地接続方法機械的強度等の要求事項があります ICT 機器で一般的な構造であるクラス Ⅰ 機器では保護接地の接地接続性の維持が要求されています部品の短絡開放及び過負荷運転等の異常動作時における安全性の確認試験の実施が要求されますその他定格等の表示に関する要求耐熱性耐湿性の要求事項があります 5

6 2. 電源に要求される安全規格 (2) 各種分野別の各国安全規格代表例 (2012 年 9 月 1 日現在 ) 用途分野 ICT 機器 AV 機器生活家電機器医療機器計測機器国際規格 (IEC 規格 ) 米国 (UL 規格 ) カナダ (CSA 規格 ) 欧州 (EN 規格 ) 日本 (J 規格 ) IEC UL CSA C22.2 No EN J IEC UL CSA C22.2 No EN J IEC UL CSA C22.2 No EN J IEC UL CSA C22.2 No EN JIS T IEC UL CSA C22.2 No EN

7 3. 電源の安全性の評価 (1) 電源は多種多様の電子機器に使用されるためたいへん広範囲の環境で使用されますよって安全性の評価はあらゆる角度から行わなければなりません電源の安全性評価の例アブノーマルテスト ( 部品の短絡開放試験 ) FMEA による分析と安全性確保の対策が適切であるかを評価しますスイッチング電源内部の単一部品故障による破損時や異常な条件下での動作による破損時などで発煙発火や感電などの重大な障害が起こらないことを評価し使用者の安全を保証しています 7

8 3. 電源の安全性の評価 (2) 耐久テスト故障要因 ( ストレス ) 故障モードスイッチング電源への影響 ( 代表例 ) ( 代表例 ) 耐久テスト例電気的ストレス雷サージ雷サージ試験静電気静電気試験入力に高電圧印加高電圧印加試験機械的ストレス振動振動試験衝撃衝撃試験落下落下試験熱的ストレス高温内部部品の破損不良出力電圧が出ない高温通電試験高温放置試験低温氷結内部部品の劣化寿命出力電圧が低い低温放置試験温度サイクル導通部分の接触不良等回路内の絶縁劣化出力電圧がすぐ停止する出力電圧が不安定温度サイクル試験熱衝撃試験湿度高湿度結露内部回路の誤動作リップルノイズが大きい湿中放置試験高温高湿動作試験雰囲気腐食ガス耐腐食性ガス試験排気ガス耐ガス性試験油性雰囲気耐油性試験塩水塩水噴霧試験偶発故障 - 磨耗故障部品寿命 - 8

9 3. 電源の安全性の評価 (3) 例 ) 整流器の保守メンテの考え方 (15 年以上は装置更新を推奨 ) No. 交換部品交換推奨時期推定寿命 1 警報用ヒューズ約 3 年 3~4 年 2 電解コンデンサ約 7 年 7~8 年 No. 交換部品交換推奨時期推定寿命 10 補助継電器約 12 年約 15 年 11 電圧検出器約 12 年約 15 年 3 ヒューズ管ヒューズ約 8 年約 10 年 12 表示灯 ( 発光ダイオード ) 約 12 年約 15 年 4 メーター類約 10 年約 15 年 5 可変抵抗器約 12 年約 15 年 13 ブザー約 12 年約 15 年 14 固定抵抗器約 18 年約 20 年 6 切替器約 12 年約 15 年 15 半導体類 ( タイオートトランシスタ /IC) 約 18 年約 20 年 7 押ボタンスイッチ約 12 年約 15 年 16 巻線類 ( 変圧器塞流線輪 ) 約 25 年約 25 年 8 トグルスイッチ約 12 年約 15 年 17 ファン約 7 年 7~8 年 9 配線用遮断器約 12 年約 15 年 9

10 4. べからず集本編は不具合事例集のような正式な報告内容ではなく新入社員からベテラン技術者が各知識の範疇で経験した失敗談を編集したものですお断り設計現場において部品使用に関しての限定的な失敗事例ある条件下における断定的な表現 ( いましめ的 ) 一般的に通用する事例ではない電源回路の安全設計で部品メーカに要求すること 10

11 べからず内容 NO.1 電解コンテンサ防爆弁近傍に筐体 (FG) を配置してはいけないもしそのようにしたら ( 使ったら ) どうなるか電解コンテンサの防爆弁が動作したときに筐体 (FG) に接触すると絶縁が無くなる例えば 1 次側の PFC 電解コンテンサの防爆弁が FG に接触すると 1 次 -FG 間の絶縁が無くなり地絡となって最悪の場合漏電フレーカ動作でシステムタウンとなる 11

12 べからず内容 NO.1 電解コンテンサ防爆弁近傍に筐体 (FG) を配置してはいけないではどうするべきか防爆弁が動作しても十分に空間距離を取るか不可能な場合は絶縁板等で保護する筐体 (FG) 絶縁板基板板金との距離が確保できない場合は絶縁板を張る但し防爆弁上部はコンテンサメーカの規定以上開けること部品メーカに要求すること防爆弁が開くための規定と安全確保の規定は別途表記して欲しい ( 破壊寸法の表現により機器の構造外形に影響 ) 12

13 べからず内容 NO.2 長期保証電源に使用するファンは吐き出し冷却してはいけないもしそのようにしたら ( 使ったら ) どうなるかファンも電解コンデンサと同様に経時変化と周囲温度との関係式が成立する ( アレニウスの法則 ) このことから周囲温度が10 上がると寿命は約 1/2 倍となる従ってファンを吐き出しで使用すると高い温度の風がファンにあたることになり寿命の低下の要因になる FAN 発熱部品排気口吸気口 FAN 発熱部品 FAN のヘアリンク部に熱い風が通過する吐き出し 13

14 べからず内容 NO.2 長期保証電源に使用するファンは吐き出し冷却してはいけないではどうするべきか排気口 1 ファンを吸い込みで使用する ( 冷却効果は吐き出しに対し落ちることが多いので注意 ) 発熱部品発熱部品 2 長寿命ファンを使用する ( 高価大型化 ) 部品メーカに要求することファンの温度耐量の規定により電源の寿命設計思想が大きく変化する事を考慮して欲しい FAN 吸気口 < 吸い込み > FAN FAN のヘアリンク部は外気が通過する 14

15 べからず内容 NO.3 コッククロフト回路にポリプロピレンフィルムコンデンサを使用してはいけないもしそのようにしたら ( 使ったら ) どうなるかコンデンサが短絡故障したときに有害ガス ( アルシン ) が発生半導体工場のガス検知器が作動しシステム全体がストップしてしまい損害も大 ( 重大事故になる ) 有毒ガス発生 ( 短絡故障時 ) C C C C 絶縁油中 ei D D D* D D D D D Eo C C* C C 15

16 べからず内容 NO.3 コッククロフト回路にポリプロピレンフィルムコンデンサを使用してはいけないではどうするべきか CW 回路にはセラミックコンデンサを使用する前記と同じ条件で試験した結果ガス発生なし破損耐圧もフィルムコンデンサが定格の1.5 倍で破損に対し定格の8 倍まで許容できた ( 短時間での実力値であり C C C C 保証ではない ) ei D D D* D D D D D Eo C C* 部品メーカに要求すること部品の破壊時の発生ガスの種類により使用回路に制限が発生することを考慮して欲しい C C 16

17 べからず内容 NO.4 交流で使用するコンデンサの耐圧はカタログ値 ( 直流規定値 ) をそのまま適用してはいけないもしそのようにしたら ( 使ったら ) どうなるかアルミニウム電極が局部的コロナ放電により酸化アルミニウム ( 絶縁物 ) となり容量が低下する使用電圧が高い程容量低下の速度が速くなる 17

18 べからず内容 NO.4 交流で使用するコンデンサの耐圧はカタログ値 ( 直流規定値 ) をそのまま適用してはいけないではどうすべきか例えば DC1000V のコンデンサを交流 ( 正弦波 ) で使用する際にはピーク to ピークで少なくとも 1000V 以下で使用しなければならないまた AC と DC のディレーティングは各メーカで異なるのでカタログ等で確認することカタログ例 : 耐圧 :DC3150V AC920V (0.01uF) ディレーティング =920V 2 2/3150V=82.6% Vpp=1000V 以下部品メーカに要求すること部品使用条件による規格値ディレーティングの表現を各社統一して欲しい 18

19 べからず内容 NO.5 電源ラインにタンタル固体コンデンサを電流制限なしで使用してはならないもしそのようにしたら ( 使ったら ) どうなるか故障モートがほぼ (9 割程度 ) 短絡モートのため発煙発火の恐れがある 19

20 べからず内容 NO.5 電源ラインにタンタル固体コンデンサを電流制限なしで使用してはならないではどうすべきかタンタル固体コンデンサと直列に制限抵抗またはヒューズを挿入する Vcc or 部品メーカに要求すること故障モード等不利な特性性能も前面に提示して欲しい 20

21 べからず内容 NO.6 抵抗器では定格電力定格電圧で連続使用してはならないもしそのようにしたら ( 使ったら ) どうなるか連続使用すると抵抗器の過度な温度上昇が発生して発煙焼損する恐れがある 21

22 べからず内容 NO.6 抵抗器では定格電力定格電圧で連続使用してはならないではどうすべきか製品の環境温度と抵抗器のカタログを参照して定格電力以下で使用する長期安定運用を考慮して定格電力の1/4~1/2 程度の使用とする電圧に関しては定格電圧の80% 以下とする部品メーカに要求すること実施条件化でのディレーティングを標準化して欲しい ( 各社の設計基準ノウハウによる海外メーカとの設計思想に格差定格サイズ価格に影響 ) 22

23 べからず内容 NO.7 直列の電解コンデンサの分圧抵抗器に高抵抗炭素皮膜抵抗 (100kΩ 以上 ) を使用してはいけないもしそのようにしたら ( 使ったら ) どうなるか電蝕して断線する恐れがある結果電解コンデンサの分担電圧が崩れ過電圧や逆電圧で電解コンデンサが破損する発煙発火に繋がることがある 23

24 べからず内容 NO.7 直列の電解コンデンサの分圧抵抗器に高抵抗炭素皮膜抵抗 (100kΩ 以上 ) を使用してはいけないではどうすべきか電解コンデンサの分圧抵抗器には電蝕しにくい酸化金属皮膜抵抗を使用するか 100kΩ 以下の抵抗を組合せて使用する部品メーカに要求すること電蝕ウイスカ等起こりうる不利な現象に対する使用上の注意点も前面に提示して欲しい 24

25 べからず内容 NO.8 メカ式リレーの実装方向はノーマルオープンでは重力に対して接点が閉じる向きに取り付けてはいけないノーマルクローズでは接点が開く方向に取り付けてはいけないもしそのようにしたら ( 使ったら ) どうなるか断線等でリレーの制御が不能となった場合にリレーが ON してしまい誤動作などを誘発してしまう 25

26 べからず内容 NO.8 メカ式リレーの実装方向はノーマルオープンでは重力に対して接点が閉じる向きに取り付けてはいけないノーマルクローズでは接点が開く方向に取り付けてはいけないではどうすべきか重力方向に対してリレーが動作しない向きに取り付けること部品メーカに要求すること実装方向による安全対策を考慮して欲しい ( 標準電源では実装方向が未確定での販売がある ) 26

27 べからず内容 NO.9 高周波巻線回路近傍に FAN を配置してはいけないもしそのようにしたら ( 使ったら ) どうなるか電磁ノイズ ( 電磁誘導 ) の影響やファンの電源線を経由して加わる高周波ノイズの影響でファンの回転軸ベアリングに誘導電流が流れる場合がある電流が流れるとベアリングの表面の油膜が破壊されベアリングおよびベアリングの滑走面に損傷が生じる ( ファンの電食 ) 27

28 べからず内容 NO.9 高周波巻線回路近傍に FAN を配置してはいけないではどうすべきか高周波巻線回路から離して配置するファンに EMC シールドを取付ける電食防止ファン ( セラミックスベアリング ) を用いる部品メーカに要求すること電磁ノイズ ( 電磁誘導 ) の影響対策を考慮して欲しい 28

29 5. まとめ電源回路の安全設計で部品メーカに要求すること部品電源 ( 電子機器 ) において小型高性能低価格短納期化は日々努力達成されておりまた永遠のテーマでもあります機器設計者が安全設計を考慮しなくて済む部品開発をお願いします実使用上誤解のない規格定格の表記わかりやすい使用上の注意事項の明記をお願いします常識的な事柄でも設計者が知らなかったことで起きる事故が多々あります破損しないことが理想ですが安全に破損することが機器設計者にとって最も重要なファクターであることを考慮し部品開発をお願いいたします電源 ( 電子機器 ) は設計者の想定外の使用が避けられません設計現場ではもしもの事態を想定しいかに回避できるかを考えシンプルな安全設計をすることが製品完成度の重要な要素となります 29

30 ご清聴ありがとうございました 30

鉛フリーはんだ実用化ロードマップ

鉛フリーはんだ実用化ロードマップ (2014 年 11 月 11 日修正 ) バリスタの安全な使い方 2014 年 10 月 20 日電子部品部会 / 技術標準戦略委員会標準化専門委員会受動部品標準化 WG/ バリスタ G 渡部修 ( 日本ケミコン ) 1 バリスタとは? バリアブルレジスタの省略形 Variable Resistor 変化する抵抗器 2 バリスタの構造 ( 円板型 ) エポキシ樹脂銀電極はんだリード線