電源トラブルを回避する方法

電源装置の購入を検討する際、多くの場合、十分な調査を行わず、入手可能な最も基本的な情報のみに基づいて行われる。消費者は以下の機能のみを探すかもしれない：

• 80 PLUS認証マークの有無は、電源ユニットの単なる一つの側面であり、この分類は偽造される可能性がある。
• 箱に記載されている総出力ワット数は、実際の出力を表している可能性もあるが、架空の数値である可能性もある。
• 電源ユニットに付属するケーブルが、モジュラー化や配線の品質、その他のケーブル品質の要素を考慮せずに、顧客が自身のシステム構築に必要なと考えているものかどうか。

適切な判断を下すためには、電源装置の構造についてもう少し理解することが役立ちます。本資料では、電源装置の品質とコストを左右する主要なパラメータを概説します。複雑な設計アーキテクチャとその長所短所に深く踏み込むのではなく、本ガイドではレビューやテストで頻繁に目にする用語を平易に解説し、これらの要素が電源装置の実用性能、総合的な品質レベル、信頼性にどのように影響するかを明らかにします。

ご家庭の壁コンセントからは交流（AC）電力が供給されますが、コンピューターの部品には直流（DC）が必要です。これがコンピューターの電源装置の役割であり、ACをDCに変換します。ACをDCに変換する過程で、AC成分はDC出力の一部となります。スイッチング電源（リニア電源とは対照的に）では、交流から直流へ、再び交流へ、そして最終的に再び直流へと変換する過程で、リップルと呼ばれる高周波ノイズや高調波が発生することがあります。

高リップルは、デバイス（マザーボード、GPUなど）内のコンデンサを過熱させ、これらのデバイスに使用されているコンデンサ内部の電解液を蒸発させる可能性があります。これにより、致命的な故障を引き起こす恐れがあります。

電源の出力側にある小型コンデンサは、可能な限り多くのリップルを除去するのに役立ちます。しかし、より多くのリップルを除去するために容量を増やすと、これらのコンデンサがすべて完全に充電されて所定の出力電圧に到達する必要があるため、突入電流も増加します。電源変動（過渡現象とも呼ばれる）が発生するとコンデンサが部分的に放電され、適切な出力電圧を維持するために再充電が必要となるため、出力電圧の安定性に影響が生じます。これはスイッチング部品への負荷増加も招きます。したがって、容量とリップルに対する許容範囲のフィルタリング効果の適切なバランスが最善策です。

過渡応答とは、電源装置（PSU）が負荷から別の負荷へ移行する際の出力電圧の挙動を指します。これは、PSUが定常状態に落ち着く前に急激な負荷変化にどのように応答するかを説明するものです。例えば、負荷が低負荷から高負荷へ急激に変化すると、出力電圧が低下することがあります。これは正常な挙動である可能性がありますが、ここで問うべきは、出力電圧が公称電圧まで回復する前に、PSUがこの状態をどの程度の時間維持するかということです。

電源の過渡応答が不良だと、電圧変動、システムの不安定化、敏感な部品への損傷など、様々な問題を引き起こす可能性があります。具体的には、過渡応答が遅い、あるいは調整が不十分な場合、電圧降下（アンダシュート）やスパイク（オーバーシュート）が発生し、デバイスの動作限界値を超えることがあります。これにより、デバイスは誤動作、リセット、あるいは故障を引き起こす可能性があります。

負荷が増加した際に電源装置が安定した出力電圧を維持できない場合、これは電圧安定性の低さとみなされます。電圧安定性の低さは、電子機器の損傷、非効率な動作、システムの不安定化など、様々な問題を引き起こす可能性があります。機器の誤動作や寿命の短縮を招き、データの破損や損失につながる恐れがあります。

不適切な組立工程と品質管理の欠如は早期故障を招く。電源装置の製造は依然として手作業が主流であり、自動化は高級メーカーに限定されている。部品はバルクはんだ付け機へ送られる前に、手作業で基板に配置されねばならない。これらの機械は大量生産における均一なはんだ付けに優れるが、その出力品質は適切な入力準備に完全に依存している。

はんだ付け後に位置ずれや挿入ミスが発生した場合、技術者は「手直し」作業を実施する必要がある。これは作業員が各基板を目視検査し、ハンディはんだごてを用いて手作業で欠陥を修正する工程である。この繊細な作業には数多くの潜在的問題が伴う：不適切な加熱は脆弱な接続を生じさせたり部品を損傷させたりする一方、人的ミスは過剰なはんだ付けによる短絡、あるいは不十分なかはんだ付けによる弱連結を引き起こす。特に厄介なのは、初期のバーンイン試験では合格したものの、数日後の輸送中に不良はんだ付けにより部品が固定部から外れ、故障を引き起こす粗悪なはんだ接合である。

EUおよび北米のほとんどの電源ユニット（PSU）には力率補正機能が搭載されており、80 PLUSまたはCybenetics認証レベルの効率を達成するには高い力率補正が要求されます。ただし、世界の一部の地域では力率補正が必須ではありません。さらに、一部のブランドは効率認証バッジを「偽装」することがよくあります（例：80 PLUSに似ているが「85 PLUS」や「90 PLUS」と表示されているバッジ、あるいは80 PLUSバッジに似ているが対応する80 PLUSレポートが存在しない場合など）。

力率は電気システムにおける重要な指標であり、電力がどれほど効率的に生産的な仕事量に変換されているかを示す指標として機能する。出力÷入力という単純な効率の百分率計算とは異なり、力率は特に、電源から引き出された電流が真の仕事を達成するためにどれほど効果的に利用されているかを明らかにする。

力率を計算するには、計算で使用される3つの用語を理解する必要があります：皮相電力、有効電力、および無効電力です。

皮相電力は回路に供給される総電力を表し、ボルトアンペア（VA）で測定される。

実効電力はワット（W）で測定され、モーターの駆動や電球の点灯など、具体的な仕事を行う実際の交流電力を表します。本記事の文脈では、最終的に直流に変換される電力を指します。

無効電力とは、電源と無効成分（電源内のインダクタやコンデンサなど）の間で往復変動する、有用な仕事を一切行わない捉えどころのないエネルギーである。無効電力はボルトアンペアリアクティブ（VAR）で測定される。

実効電力を皮相電力で割ることで、力率を求めることができる。

無効電力は、電源装置全体を流れる電流を増加させるため問題視される。電源装置が電力を供給するコンピューターに有用なエネルギーを供給しないにもかかわらず、電力線、変圧器、発電機が管理する必要のある電流に追加される。この追加電流は電力系統における抵抗損失を増大させ、発熱とエネルギー浪費を引き起こす。

ワットの法則によれば、同じ電力を得るには電圧が低いほど電流が大きくなるため、北米、日本、台湾など100～127Vの地域では、より大型で耐熱性の高い整流器が必要となり、コストが増加する。住宅用電圧が220V以上の国向けに設計する場合、これほど大電流に対応できる整流器は必要ありません。しかしながら、電圧低下（ブラウンアウト）により電圧が通常値を大幅に下回る可能性があります。したがって、入力電流がブリッジ整流器の容量を超えた場合に電源装置が致命的な故障を起こさないよう、適切な保護機能を設けることが極めて重要です。

住宅用電圧は地域によって大きく異なる：日本は100V、台湾・キューバおよび米国の多くのコンセントは約115V（公称120V）、南米およびカリブ海の一部地域では127Vを使用している。

例えば：米国では、NEMA 5-15コンセントは15A連続使用に制限されています（120V × 15A = 1800W AC、または90%効率時で約1620W DC）。実際の負荷と20Aブレーカーの80%ルールにより、使用可能な電源ユニットの電力は通常1.6kW程度に制限されます。20A NEMA 5-20回路は存在しますが、家庭では一般的ではありません。

220～240Vの商用電源では、10A回路は2200Wの交流電力を供給する（90%の効率でほぼ2000Wの直流電力に相当）。英国のプラグは最大13A、シューコ式コンセントは最大16Aまで対応するため、高出力電源ユニットの方が現地では実用性が高い。

ホールドアップ時間は、電圧降下が発生した場合に生じうる交流入力電源の遮断後、電源装置が安定した調整済み直流出力電力を供給し続けられる時間の仕様である。

電源ユニットのホールドアップ時間仕様は機種によって異なります。従来のATX12V規格では、PSUは100%負荷時において17msの電源供給を維持する必要があり、負荷が低い場合はより長い持続時間が可能でした。新しいATX 3.1規格では、この要件が全負荷時12msに短縮されています。

電源ユニットがどの仕様に準拠しているかにかかわらず、このホールドアップ期間中は適切な電圧レベルを維持しなければなりません（例えば+12V出力を+11.4V以上に保つ）。これにより、接続された部品を潜在的な損傷から保護します。

電源ユニットに用いられるファンは、より高い静圧仕様（mmH₂O、すなわち「水柱ミリメートル」で測定）を必要とします。これは、密に詰まったブレードを持つラジエーターファンと同様であり、一方、一般的なケースファンはより広く、より広範囲に空気を流す設計で、CFM（立方フィート毎分単位の空気流量）を重視します。

電源ユニット（PSU）のプリント基板レイアウトは、狭隘なPSU筐体内部で渦巻く乱流気流パターンを活用するよう設計されている。高静圧ファン（通常はプラスチック製バッフルを装備し、急流の空気を必要な方向へ誘導する）は、冷却気流を特定の熱発生部品へ強制的に導く。これらの部品は隣接部品よりも危険なほど高温になりやすい傾向がある。

サプライチェーンの利便性から、ほとんどの電源部品が中国製であることは周知の事実だ。完成品だけでなく、これらの製品を製造する際に使用される実際の部品までもがそうだ。日本のコンデンサ？中国製。ドイツのMOSFET？中国製。韓国のIC？中国製。これらは厳格な品質管理基準を満たしているため問題ない。しかし近年、中国ブランドが国際ブランドと同等のデータシートを掲げる製品を数多く生産している。ところが当社のテストでは、こうした中国ブランドの仕様がデータシートと一致しないケースが頻繁に確認されている。

これは特に金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（MOSFET）において問題となる。我々は、より高価な同等品と同一のRDS(on)（詳細は後述）を持つにもかかわらず、動作温度が高くなる場合があることを確認した。これは、低ノイズ製品を維持しつつデバイスを適切に冷却する我々の能力に課題をもたらす。動作温度の上昇は熱暴走のリスクも高める。

熱暴走は自己増幅的な発熱サイクルである。MOSFETが電流を流すと、導通損失とスイッチング損失による熱が発生する。接合部温度が上昇すると、主要パラメータ（RDS(on)、しきい値電圧、リーク電流など）が変化する。これらの変化により電力損失がさらに増大し、さらなる発熱を引き起こす。結果としてMOSFETは安全動作領域（SOA）を超え、破壊に至る可能性がある。

RDS(on)は、MOSFETが完全にオン状態（飽和状態）にある際のドレイン・ソース間抵抗である。これは導通中にMOSFETが電流の流れをどれだけ抵抗するかを決定する。実際のRDS(on)が高いほど、トランジスタの発熱量は大きくなる。

多層セラミックコンデンサ（MLCC）は、電子機器に広く使用される表面実装技術（SMT）コンデンサである。これらの受動部品は電気エネルギーを蓄積し、主に回路内のデカップリング、フィルタリング、バイパス、タイミング調整に用いられる。

MLCCがプリント基板（PCB）の端から2mm未満の位置、またはPCBのネジ穴から3mm未満の位置に配置される場合、ソフトターミネーションMLCCを使用しなければならない。これを怠ると、これらの小型部品が破損したりPCBから外れたりして、接続不良を引き起こす可能性がある。

モジュラーPCBにMLCCを使用する電源ユニットでは、ソフトターミネーションMLCCのみを使用することを推奨します。この注意点は、モジュラーケーブルの着脱によりPCBがたわみ、MLCC自体または基板への接続部が損傷する可能性があるため必要です。

電源装置において見過ごされがちな要素は、付属するケーブル、その構成材料、そして製造品質である。以下に挙げる3点は、「安価なケーブル」が提供される際に我々が確認した最大の落とし穴である。

銅被覆アルミニウム（CCA）線はアルミニウム線に銅を被覆したもので、純銅線は完全に銅で構成されています。純銅は導電性、柔軟性、耐熱性、耐食性の点で優れています。CCAは安価ですが、抵抗値が高い（同じゲージの銅線と比較してアルミニウム線は55～60％高い）ことや融点が低いため、特に電気的安全性と性能が重要な用途では推奨されません。銅は柔軟性にも優れ、繰り返し曲げても断線しにくい特性があります。

銅は安価ではない。銅が厚ければ厚いほど、電線の価格は高くなる。問題は、薄い銅ほど抵抗が大きくなる点だ。残念ながら、電線のゲージはケーブルに表示されていないことが多く、顧客はケーブルに使用されている細いゲージの電線を、柔軟性が高いためより高品質なケーブルと認識する可能性がある。

ポリ塩化ビニル（PVC）はプラスチックポリマーとしても知られ、定格温度を超える温度にさらされると絶縁体が軟化し、経年劣化を起こす可能性があります。PVC絶縁体の劣化は、電線が安全に電流を流す能力を損なう恐れがあります。時間の経過とともに、ひび割れや短絡、さらには電気火災に至る可能性さえあります。

一例として12V-2x6ケーブルが挙げられる。コネクタは通常105°C定格であるにもかかわらず、溶融事例が散見される。一部の12V-2x6ケーブルでは、耐熱温度がわずか80℃～85℃の電線絶縁体が使用されている事例を確認しています。熱可塑性材料であるPVCは高温で軟化し、変形や機械的損傷を受けやすくなります。この軟化により、電線ジャケットがコネクタから剥離したり損傷したりする可能性があり、導体が潜在的な危険に晒される恐れがあります。

トロイドコイルインダクタは、銅線で巻かれた強磁性リングで構成される。ロッドコイルインダクタは、円筒形コアをその長さに沿って巻いたものである。ロッドコアの唯一の真の利点は、材料費と人件費が低いことである。

トロイダルコアは対照的に、可聴ノイズを発生させにくい。内部の磁力によってコアが曲がることはなく、圧縮または張力のみが生じる。また円形設計により機械的安定性が向上する。

ロッドコイルの影響は実験室では明らかになりにくい。CORSAIRはかつて出力段にロッドコイルを採用したプロジェクトを手がけた。Chromaでの実験室テストでは可聴ノイズは検出されなかった。しかし実使用環境では事情が異なった：苦情が殺到し、CORSAIRは速やかにトロイダルコアへ切り替えを行った。

センダストは、インダクタや変圧器に使用される鉄粉やその他の磁性コア材料の代替として開発された磁性合金である。その組成は鉄85％、ケイ素9％、アルミニウム6％で構成されている。

センダストは渦電流損失が低く、磁場に曝されても機械的振動を発生しないため高く評価されている。当業界における主な欠点はコストである。さらに、センダストは焼結複合材であるため、他の材料よりも脆い傾向がある。結果として、鉄心のエネルギー貯蔵容量に匹敵させるにはセンダスト製インダクタをやや大型化する必要があり、小型設計におけるスペース制約を考慮すべきである。

コーセアでは約10年間、ほぼ専らセンダストを採用しています。可聴ノイズの改善に要するわずかな投資は、顧客からの苦情が大幅に減少したことから、十分に価値があることが判明しました。

再び、追加のスペースを必要とする最適解が得られました。ただし、スペースに余裕がある場合は、分割巻線の使用を強く推奨します。

単巻インダクタは、その名称が示す通り、コアに単一の連続した銅線コイルを巻き付けた構造です。分割巻線インダクタ（バイフィラ巻線またはコモンモードチョークとも呼ばれる）は、銅線をコア周囲に二つの独立した巻線に分けて配置します。この構成はコモンモードノイズを効果的に遮断するため、電磁妨害（EMI）や無線周波数妨害（RFI）の低減に寄与するPFCチョークとして最適です。コモンモードノイズは、MOSFETとグランド間の寄生容量から生じることが多いです。

分割巻線インダクタはより大型ではあるが、製造工場が自動化プロセスを用いて生産する場合、そのコストは単巻線インダクタのコストを大幅に上回ることはない。

一部の設計で高周波RFIの結果が見られるようになったため、PFCチョークに分割巻線インダクタの使用を開始しました。残念ながら、サイズが若干大きいため、SFXのような小型フォームファクタでは使用できません。

室温硬化型（RTV）は、室温で硬化するシリコーン系シーラントまたは接着剤の一種である。磁気コイルは電磁力により高周波で振動し、耳障りな甲高い音を発することがある。コイルにRTVシリコーンを塗布することで、この振動を抑制し騒音を低減できる。

中性硬化型RTVシリコーンを使用することが極めて重要です。ガスケット製造などに用いられる標準的なRTVシリコーンは、硬化中に酢酸を放出することが多く、電子部品を腐食させる可能性があります。これにより電源ユニット（PSU）が酢のような臭いを発する原因となります。オキシム硬化型やアルコール硬化型などの中性硬化型RTVは電子機器に安全です。「中性硬化型」かつ「電子機器に安全」と表示されたRTVを選択してください。

RTVを塗布する際は、周辺部品の放熱性を考慮すること。通常のRTVは熱伝導性が低く、ダイオードやMOSFETなどの部品に塗布すると、毛布で覆うように熱を閉じ込めてしまう。RTVを塗布する担当者は、必要な箇所にのみ塗布できるよう十分な訓練を受けている必要がある。

電子機器を封入するために使用される優れた熱伝導性を有する材料（ポッティングコンパウンド）は存在するが、これらは著しく高価である。ポッティングコンパウンドは通常、部品を環境要因から密封する必要がある場合に使用される。このプロセスは「封入」として知られている。このプロセスは湿気を遮断し、振動を低減し、リバースエンジニアリングから保護する。ポッティングコンパウンドを除去するとPCB上の部品が損傷する可能性があるためである。当社は熱伝導率2W/m・Kまたは3W/m・Kのポッティング材を使用し、熱を電源ユニット筐体に均一に放散させることで完全無動力のPSUを実現してきました。しかしこれらの材料は中国市場でも非常に高価です。そのため、より手頃な価格になるまでは、CORSAIRは電源ユニットに従来通りの1液型中性硬化RTV（室温硬化型シリコーン）を使い続ける方針です。

電源装置には「保護機能」と呼ばれるものが備わっているべきです。これらの保護機能は、PSU内部の集積回路によって監視されます。ICがアナログ式かデジタル式かに関わらず、提供する保護機能はPSUごとに異なります。最終的には、利用可能なあらゆる保護機能を備えた電源装置が望ましいでしょう。以下に、電源装置に備わっているべき保護機能の一覧を示します。

この保護機能は、レール電流が所定のしきい値を超えた際に作動します。多くの電源メーカーは、グラフィックカードなどの部品による電力スパイクに対応するため、より高いOCPトリガーポイントを設定しています。OCPを実装するには、高精度・低抵抗のシャント抵抗器と互換性のある監視ICという2つの主要要素が必要です。これらのシャント抵抗器は、自身にかかる電圧降下を検出することでPSUの出力電流を測定します。

電源ユニットが定格容量を超えて使用されると、この保護機能が安全対策として作動します。ほとんどのメーカーはバッファゾーンを設けており、OPP（過電流保護）のしきい値をPSUの公称最大ワット数より約50W～100W（場合によってはそれ以上）高く設定しています。単一+12Vレールを持つ電源ユニットでは、過電流保護が作動することは稀であり、OPP機構が主要な防御機能として機能します。+12Vレールが過剰な電力を消費した場合、ユニットは自動的にシャットダウンします。

この保護機能は電源ユニットの警戒的な守護者として機能し、出力レールを継続的に監視して危険な低インピーダンスレベル（0.1Ω未満）を検知します。この状態が検出されると、SCPは直ちに緊急シャットダウンを起動し、潜在的な損傷や火災の危険を防止します。

ほとんどの電源装置におけるSCP（短絡保護回路）の興味深い点は、通常は接地への短絡が発生した場合にのみ機能する点である。多くのPSUでは、異なる電圧を流す2本のライブ線が接触しても、SCPは全く作動しない。かつてコンピュータ愛好家はこの制限を悪用し、+12Vと+5Vラインを接続して+7Vを生成する簡易電圧降下装置を冷却ファン用に作成した。このような改造を安全に行うことは可能だが、依然として避けるべき危険な手法である。現代の高品質電源装置はこの脆弱性を解消しており、現在では任意の2つの電圧ラインが互いに接触するか接地した場合にSCPシステムが作動する。

出力電圧が、給電先コンポーネントにとって安全とみなされる電圧を下回った場合、過電圧保護（OVP）はコンポーネントへの潜在的な損傷を防ぐため、PCをシャットダウンすべきである。

出力電圧が、給電先コンポーネントにとって危険とみなされる値まで上昇した場合、UVPはコンポーネントへの潜在的な損傷を防ぐため、PSUをシャットダウンすべきである。

この保護機能を備えた電源装置は、通常、サーミスタ（温度に敏感な抵抗器）を+12V整流回路に搭載しています。この位置は、ファン制御ユニットのサーミスタが配置される場所と同一であることが多く、この部品は+12V MOSFET、ダイオード、または二次側ヒートシンク（設計により異なる）の温度を監視し、測定値が安全閾値を超えた場合にシャットダウンをトリガーします。この安全対策は不可欠です。なぜなら、部品の過負荷やファンの故障による過度の温度上昇は、永久的な損傷を引き起こす可能性があるからです。

電源装置の総合的な品質と信頼性は、効率ラベルや出力仕様、ケーブル本数といった要素だけで測れるものではない。信頼性は設計の厳格さ、部品選定、製造工程、そして厳密な電気的性能基準への順守によってもたらされる。

結局のところ、電源ユニットはシステム全体の基盤です。安価な製品で初期費用を節約するのは魅力的に見えるかもしれませんが、不安定な電力供給、部品故障、あるいはシステム全体の損失といった隠れたリスクは、長期的に見てはるかに大きな代償を払うことになります。高品質なPSUは、単に箱に書かれたワット数だけではありません。安全性、安定性、そして安心感が重要です。これはPC構築全体の健全性と信頼性への投資と考えてください。