パワーアンプには、過電圧、過電流、電圧過渡など、さまざまな高度な回路保護機能が搭載されています。人工知能機能を備えたコンピューティング システム全体を低コストのシステム オン チップ (SoC) に統合できるようになったため、パワー アンプに予測機能を統合して、差し迫った脅威だけでなく、発生する可能性のある潜在的な問題から保護することも可能になります。
パワーアンプの役割
パワーアンプが果たす役割とそれが重要な電子機器である理由を理解するには、まずパワーアンプとは何かを理解する必要があります。パワーアンプは、電気信号を増幅して、増幅される信号が生成できるよりもはるかに大きな負荷を駆動するデバイスです。
たとえば、DCモーターは回転を開始するために数十アンペアを必要とすることがある一方、マイクロコントローラーのGPIOは通常20mAを超える電流を許可しないため、マイクロコントローラーのGPIO出力は大型のDCモーターを駆動するために使用することはできません。代わりに、数十アンペアを供給できるパワーアンプを使用して、GPIO出力によって制御されながらDCモーターに電力を供給することができます (つまり、20mAが数十アンペアに増幅されます)。
では、パワーアンプは一体どこにあるのでしょうか?パワーアンプの一般的な例の1つが上記の例です。大きな負荷を制御するにはマイクロコントローラが必要になることが多く、これにはパワーアンプを使用するのが最適です。
パワーアンプは、バッテリー充電器などの電源管理デバイスにもよく使用されます。バッテリー管理集積回路 (IC) はバッテリー全体の電圧を検出する役割を担い、外部パワーアンプは電源管理ICによって制御され、特定の電流でバッテリーを充電します。
産業システムは、パワーアンプのもう1つの一般的な用途です。産業環境で使用されるDCモーターには、ほとんどの場合三相AC電力が使用されるため専用のモーター ドライバーが必要であり、これらのドライバーには、モーターに供給される電力を整流および変調 (パルス幅変調 (PWM) を介して) できるパワー アンプが必要です。
無線周波数 (RF) システムもパワーアンプに依存します。携帯電話、レーダー、フェーズドアレイで使用するための複雑な無線信号を生成するには、ハイエンドのデジタル信号プロセッサが必要ですが、これらは多くの電流を供給できないという点でGPIOに似ています。代わりに、特殊なRFアンプがこれらのプロセッサの出力を増幅し、アンテナでRFエネルギーに変換して長距離伝送を行うことができます。
パワーアンプにはどのような一般的な回路保護方法がありますか?
高電力回路に存在する大きな電流と電圧の変動は、アンプやプロセッサなどの半導体デバイスに悪影響を及ぼす可能性があります。そのため、パワーアンプには、予期しない回路の動作からアンプ自体を保護するだけでなく、外部回路（マイクロコントローラやデジタル信号プロセッサなど）を保護するために、さまざまな保護方法が組み込まれているのが一般的です。
パワーアンプの最大電流定格は、高電流による熱損傷を防ぐために存在します (大電流は原子レベルで半導体を損傷する可能性もありますが、一般的に温度上昇の方が大きな損傷を与えます)。そのため、パワーアンプには、電流消費の大きなスパイクを防ぐために過電流保護回路が組み込まれていることがよくあります。
過電圧保護回路 (過渡保護とも呼ばれます) は、パワーアンプ内の敏感なコンポーネントが損傷するのを防ぎます。また、半導体接合部の完全な破壊も防止します。たとえば、MOSFETベースのパワー アンプには薄いゲートがあり、高電圧によって簡単に損傷を受ける可能性があります。そのため、これらの電圧は通常、ツェナーを使用してクランプされます。
サーマルシャットダウン保護システムはパワーアンプの過熱を防ぎ、高電流アプリケーションでは極めて重要です。一部の半導体は、温度の上昇によって伝導が増加し、さらに温度が上昇するという熱暴走効果の影響を受けることがあります。半導体は過熱すると急速に劣化し、性能が低下する可能性があります。
逆電圧保護は、大きな負の電圧が敏感な半導体部品に損傷を与えるのを防ぐ保護システムです。このような保護回路では、多くの場合、逆バイアス モードでダイオードを使用し、負の電圧が存在する場合に導通して値をクランプします。これらはMOSFETにボディ ダイオードとしてよく見られ、大きな逆起電力 (EMF) を生成する可能性のある誘導負荷 (モーターなど) を駆動するパワー アンプには不可欠です。
これらの保護方法はどのような課題に直面していますか?
前述の保護方法は確かに機能しますが、課題がないわけではありません。このような保護回路の最大の問題は、それが反動的なものであり、何か問題が起きたときに反応してしまうことです。たとえば、アンプの温度が定義されたしきい値に達するとサーマル シャットダウン回路が作動し、アンプにかかる電圧が高すぎる場合は過電圧回路が作動します。
これは問題です。なぜなら、保護システムは損害を防ぐように設計されているにもかかわらず、欠陥がある可能性があるからです。そのため、何らかの保護シナリオが発生した場合、デバイスが損傷するリスクがあります。たとえば、頻繁に熱シャットダウンが発生すると、時間の経過とともにデバイスが劣化するリスクがあり、火災の危険性も生じます。
アラート ピンを介してマイクロコントローラからのアクティブ モニタリングを使用することで、追加の保護を実現できます。たとえば、パワーアンプには、過電圧が発生すると状態が変化する出力アラートピンがあり、マイクロコントローラはこれを使用して電源を切断し、さらなる損傷を防ぐことができます。ただし、この状況では保護回路を作動させる必要があり、パワーアンプが危険にさらされます。
人工知能をどのように利用してインテリジェントなパワーアンプを作成できるでしょうか?
反応的な保護システムを作成するのではなく、問題が発生する前に保護システムが問題を予測できるとしたらどうでしょうか?このようなアンプは、事前に状況から自身を保護できるだけでなく、問題が起こりそうなことを接続されたプロセッサに知らせ、それらのデバイスも判断を下せるようにすることもできます。障害が発生した場合、このパワーアンプは危険な動作領域に入ることを回避し、劣化の程度を軽減します。しかし、そのようなアンプはどうやって作れるのでしょうか?
初期の頃から、 人工知能 アルゴリズムは、興味深い科学的実験から、極めて複雑なタスクを実行できる完全に機能するシステムへと急速に変化してきました。AIアルゴリズムは、複雑なシステムにおける動作を確実に予測できるだけでなく、異常な動作を認識することも学習できます。
たとえば、電力測定装置に接続されたAIは、公称動作がどのようになるかを学習した後、公称動作を認識できるようになります。ただし、電流や電圧の緩やかな変化は、値が予想範囲内であっても異常な動作として検出される可能性があり、これを使用して何かが変化したかどうか（コンポーネントの過熱、予期しないデバイスの接続、ソフトウェア エラーなど）を判断できます。
この予測機能により、AIは多くの産業用センサーや機械に統合され、機器が異常な動作をし始めた場合に工場のオペレーターに通知できるようになります。この動作には、振動の増加、電流消費量の増加、動作温度の上昇などが含まれる可能性があり、これらすべてがサービスが必要であることを示している可能性があります。ただし、 予測メンテナンス を使用すると、プラントのオペレータは他のメンテナンス作業と同時に将来のサービスを計画できるため、プラントのダウンタイムが短縮されます (つまり、障害が発生した後に各マシンを個別に修理するのではなく、複数のマシンを同時に修理する)。
コンピューティング システム全体を人工知能機能を備えた小型SoCに統合できることを考慮すると、パワー アンプに予測回路保護システムを搭載できる可能性があります。このようなAIは、電流消費、各端子の電圧、接合部温度など、パワーアンプのあらゆる側面を監視します。そこから、オンチップ機械学習または外部プログラマーを通じて公称動作を決定できます。
AIによって異常なアクティビティが検出されると、パワーアンプはさまざまなタスクを実行して最善の行動方針を決定します。最初のタスクは、潜在的な問題がある可能性があることをメイン コントローラーに通知することです。異常な動作がまだ続く場合、アンプは自ら問題に対処し、回路保護システムを作動させてアンプの電源を切るか、消費電流を減らすことができます。
さらに、オンチップAIはセンサー データを使用してデバイスの健全性を判断することもできます。パワーアンプのパフォーマンスが低下していると判断された場合、アンプの交換が必要であることをメインコントローラに通知できます。
しかし、AIパワーアンプに統合できるのは回路保護だけではありません。デバイスの効率を最大化するためにも使用できます。特にスイッチング アンプの場合、アンプの効率はスイッチング電圧、立ち上がり時間と立ち下がり時間、アンプ全体の電圧降下に大きく依存します。オンチップAIはデバイスの効率を監視し、内部駆動回路を修正して、すべての入力電圧と出力電圧に対してアンプ効率を最大化できます。
最後に、パワーアンプのオンチップAIはマルウェアを観察する可能性さえあります。前述のように、人工知能は異常な動作を検出するのが非常に得意であり、プロセッサが消費する電流は実行中のタスクによって異なることがよくあります。したがって、マルウェアに感染したプロセッサでは電流消費量が変化する可能性が高く、これがパワーアンプのAIによって検出され、潜在的な感染を警告する信号がメイン コントローラに送信されます。
そのようなアンプはまだ存在するのでしょうか?
残念ながら、そのようなアンプは現在存在しません。これにはさまざまな理由が考えられます。まず、パワーアンプに使用される半導体がSoCに適していない可能性があるため、SoCをアンプに統合するとコストがかかります。そのため、SoCはパワーアンプの隣に統合されたセカンダリチップで、ボンドワイヤで2つを接続する必要があります。
第二に、AIシステムには依然として改善の余地が大いにあり、AIをパワーアンプに統合するにはさらに数年の開発期間が必要になる可能性があります。第三に、パワーアンプは何十年にもわたって開発が進められており、このようなデバイスが提供する保護回路はほとんどの用途に十分すぎるほどです。
ただし、この分野で研究が行われていないというわけではありません。「人工知能」と「パワーアンプ」という用語をGoogleで検索すると、パワーアンプにおけるAIの使用に関する興味深い結果が返されます。頻繁に出てくる結果の1つは、携帯電話のパワー アンプと、AIを使用して効率を向上させる方法です (これは、帯域幅を増やし、使用するエネルギーを削減するために重要になります)。
結論
人工知能は、予測メンテナンス機能と異常検出を可能にする非常に強力なツールです。個々のセンサーが予測機能と統合されるようになっていることを考慮すると、パワーアンプはAI統合に適していると考えられます。AIを搭載したパワーアンプは、現在の状態に基づいて判断できるだけでなく、中央コントローラから予測エネルギータスクの負荷を軽減するのにも役立ちます。
さらに、パワーアンプに統合されたAIは、効率を最大化するために自身のパフォーマンス特性を調整できるようになります。これは、エネルギーコストの上昇とそれに伴う再生可能エネルギー資源への移行により、ますます重要になっています。