CIO国産充電器の試作機はなぜ熱くなりすぎたのか：原因の特定と改善版の検証

こんにちは。今日の動画はCIOとイチケンが共同で進めている国産充電器プロジェクトのアップデートです。これまでの流れを簡単に振り返ると、中国で作った試作品のフルパワー試験時の温度が高すぎてどうしようみたいなことになっていたのが前々回の動画。中国のUSB充電器製造工場に訪問して、日本で作る前の組み立て性の検証などをするために実際の製造プロセスを確認したのが前回の動画です。

今日の動画は、前回までの試作品が抱えていた問題点を改善したアップデート版が届きましたので、充電器のどの部分を改良したのか、それによってどのような結果になったのかを見ていきます。

まずは前回の試作品のどこが問題だったのかを見ていきます。前回試作品の主な問題点は温度です。フルパワーでの連続試験を実施した時に表面の温度が高すぎるという問題と、温度分布が不均一という問題がありました。サーモグラフィーで分布を見てみると、このようにホットスポットができています。また最高温度は90°を超えています。これはIECやJISで規定されている最高77°を超えてしまいます。

何かがおかしいということで、充電器を使っている時に発生する電力損失が大きすぎるのではないかということを疑って、変換効率を測定したんです。効率測定の結果、最高効率は91%。20V65W出力時の電力損失は6.27Wでした。これは65W充電器としては割と標準的な値です。効率測定をした結果、充電器の動作としては問題なさそうということが確認できています。

なので回路設計の問題というよりかは、充電器の内部で発生した熱を逃すための放熱設計に問題があるのではないかということで検証を開始しました。時系列的にはちょうどこの辺りで中国に訪問して試作品の製造工程を確認しています。そこで得られたものも含めて問題を探りました。

全体的に放熱がうまくいっていない理由ですが、これは筐体の作り方に問題があります。実はこちらの国産充電器は普段のCIO製品とは筐体の作り方が少し異なっています。このようにメインの筐体、光沢感がある部分と、そしてCIO特有のザラザラしたシボのついた加工の面があります。この筐体全て一体で成形されているかと思いきや、実はこの部分、プレートが取れるんですよね。こんな感じです。

この構造に問題がありました。見て分かる通り、筐体とプレートの間に隙間、つまり空間ができているので熱の伝わりが非常に悪くなっています。こういった小型のUSB充電器の放熱設計の方針としては、USB充電器筐体の面全体に熱を分散させて、空気の対流と放射によって熱を逃がします。なんですけども、このように空間がどうしてもできているので、USB充電器の表面に熱が伝わりにくい状態でした。

これまでのCIO製品の筐体は筐体とプレートで別れているみたいなことはしていなくて、基本的には全て一体となっています。内部に空間は存在しません。この問題については今回の製品特有なので油断していました。まずはこの空間をどうにかしなければならないです。

筐体の次の問題点ですが、CIOのUSB充電器。この形状、皆さん馴染みがあるものかと思いますけども、広い2つの面が平らになっていて、コンセントプラグの面も平ら、3つの面が平らです。その他の面についてはこのように湾曲しています。こちらも湾曲、ここも湾曲しています。湾曲しているのが外側だけなら問題ないのですが、内部も湾曲しています。

これの何が問題かと言うと、熱源と筐体を密着させることがかなり難しくなります。見ての通り平らな面には密着させることができますが、湾曲している面ですと基板と外装を密着させることが難しくなります。このような形状に対して密着性を向上させるやり方としては、厚手のシリコン放熱パッドを使ったり、液体のギャップフィラーを流し込む方法があります。

ただこの国産充電器の場合は液晶や操作ボタンが同じ部屋の中にあるので、液体のギャップフィラーを流し込むことはできません。仮にそれ以外の最適な放熱材料が見つかったとしても、組み立て性が悪くなったりしたら組み立てのばらつきが出たり不良率が高くなります。よく考えて設計しなければなりません。

またこちらのコンセントのプラグ面については、コンセントの面に熱を逃すことができます。現状ですとギャップフィラーや熱伝導シリコンゴムなどは塗布されておらず、この面を使った放熱は有効活用できていない状態です。

また電子回路部分についても1つだけ問題がありました。外装を剥がした状態でどの部品が1番発熱しているかを観察しています。なぜかインダクターの温度が極端に高く104°になっていました。これは単純に部品選定ミスだったことが分かっているので、すぐに修正しました。

これ以外にも色々改善点はありましたが、主要なものは今紹介してきた通りです。現状抱えている問題点をまとめて、さらにどのような熱の対策をしてくださいという報告書をCIOに提出しました。その後色々ありまして、こちらに改善版の試作品が届きました。

まずは電力変換効率の測定をします。1ポート利用時20V65W出力時の効率を見てみると、改善前は91%、改善後は92%となっています。最高効率だけで見ると改善版は92%台中盤となっており、改善前と比べて1.3ポイント程度高くなっています。同じく1ポート利用時20V65W出力の時の電力損失を見てみると、改善前は6.27W、改善後は5.53Wとなっており、0.74W電力損失を低くできています。

使っている部品も少し変更が入りましたので、全体的に効率は高くなって電力損失は低くなっています。損失が減ったので放熱についても少しだけ楽になりました。参考までにコンセントの電圧が200Vの時の結果も載せますので、見たい人は一時停止で確認お願いします。簡単にまとめると、200Vの時の方が電力変換効率は高いです。ですので、前の動画でも話したとは思うんですけども、放熱設計については基本的に100Vのところで考えます。

今は1ポートでの測定だったのですが、2ポートを使った時の変換効率も測定しています。これは電力損失が1番高くなるケースでして、ポート2が9V出力の時です。電力損失は7.64Wとなっています。

改善後の実物の温度を見ていく前に、USB充電器の表面温度がどれくらい高くなるのかを考えます。これについては実物を作らないでも、室温と表面温度、あとは電力損失があればある程度は計算できます。シングルポートとマルチポートで電力損失は異なるので、その場合でも条件は分けます。計算の条件としては、室温25°で、USB充電器の表面温度は均一でホットスポットはないという条件です。

シングルポートでの利用で全ての面が露出していると仮定すると表面温度は60°、コンセントに取り付ける場合は65°という計算結果になります。マルチポート利用で全ての面が露出している場合は70°、コンセントに取り付ける場合は76°という計算結果になります。

シングルポートの時は温度に余裕はありますけども、マルチポートの時はJISやIECで規定されている接触温度ギリギリです。条件によっては接触温度を超える可能性もありますし、しかも計算する時の仮定が表面温度が均一でホットスポットがないという条件ですので、実物ですともう少し温度は高くなりそうです。

ちなみに今回は動画の作り方的にこういう計算を割と後ろの方でやっていますが、実際の設計をやる時は実物を作り始める前の段階、仕様の段階からやることです。許容できる電力損失や放熱に使える表面積などから決まります。

改善版の温度を測定しました。こちらです。室温は26°です。まずはシングルポート65W出力の時の結果です。USB充電器の表面温度の推移は、実験開始直後から上昇し始めて60分経過後に表面温度は70°に達しました。予想よりも5°程度高くなっていますが、こんなものかと思います。今回はサーマルスロットリングによる保護機能をオフにしているので、これがこのUSB充電器の実力になります。サーモグラフィーでの温度分布も見ていますが、問題なさそうです。熱は割と均一に伝わっているかと思います。

次はマルチポートの時どうなっているかを見ます。サーモグラフィーでの温度分布になりますが、最高温度は76°程度です。結構ギリギリな状態です。この充電器を実際に使う人の安全性を考慮すると、サーマルスロットリングはかけた方が良いと思います。製品版ではどうなるかはまだ未定ですが、シングルポート利用の場合はサーマルスロットリングはかからない、マルチポートの場合はサーマルスロットリングをかけるという条件付きになるかもしれないです。

ここからは改善版の試作品を実際に分解してみて、内部の熱設計の構造がどのように変わったのかを見ていきます。改善版はこのようにコンセント部分に熱伝導シリコンゴムを充填しています。左が改善前、右が改善後です。シリコンゴムが充填されていないと電解コンデンサーまで伝わってきた熱が逃げられない状況だったのですが、熱伝導シリコンゴムで隙間を埋めたことによってコンセント面から熱が逃げていきます。また回路全体を熱結合させることで、より均一に筐体表面へ熱を逃すようにしています。

シリコンを除去して内部の回路を引き抜きます。筐体の内側に黄色いシールみたいのが貼ってあります。これは何かと言うとグラファイトシートです。グラファイトシートの役目としては、内部の回路で発生した熱を面に拡散させる役割があります。今回のグラファイトシートもそのように使っています。一応両面にグラファイトシートが貼ってあります。

次は外側のプレート。こちらも外してみます。はい、こちらには銅箔を追加しました。これについては熱を面に広げるというよりかは、グラファイトシートとプラスチック筐体から伝わってきた熱をこちらのシボ模様のプレートに伝える役割があります。ここの空間を埋めるための銅箔ですね。割と苦肉の策感が伝わってきます。銅箔の厚さもポイントでして、厚くしすぎるとプレートの貼り付けができませんし、薄すぎると貼り付けが難しくなります。ちょうど良い厚さを採用しました。

あとは部品の間に充填する熱伝導シリコーンゴムについても充填量を増やしました。ちょうどこの辺りですね。改善後の方は充填量を多くして、より全体の熱を均一化しています。この辺りについても少しだけ違いがあります。

熱設計の改善前と後の違いをサーモグラフィーで確認します。見てもらうと分かる通り、改善前はやはり温度が高すぎです。あとは熱の分布も均一ではなくて、割とホットスポットに近いようなものがあります。温度は一部で90°を超えていまして、製品としては販売できない状態です。改善後は温度は割と均一になっていて、狙った通りの効果が出ています。また最高温度は室温やシングルポート、マルチポートの条件によりますが、70°から76°程度となっています。

このように改善する前後での熱設計を見てきましたが、熱設計については設計の後半や実機を作った後に頭を悩ませる原因となりますので、設計の初期段階から熱設計を考えなければいけません。特に電力密度の高い小型の充電器ほどこうなります。

というわけで、CIOの国産充電器プロジェクトの進捗報告でした。シングルポートでのフルパワー利用は温度の条件はクリアしていて、サーマルスロットリングなしで常時フルパワーでの利用が可能な状態となっています。一方でマルチポートについては接触温度ギリギリな状態となっていて、安全面を考えるとサーマルスロットリングがもしかしたら入るような状況になるかもしれません。この段階から熱設計でできることは限られているので、現在どうするかを検討中です。

というわけで、この動画が役に立ちましたら高評価をお願いします。何か気になることがありましたらコメントも残してみてください。それでは最後まで動画のご視聴ありがとうございました。

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