NASAの選択とDC/DCコンバータの適用に関するガイダンス
DC/DCコンバータの不具合は、宇宙機に限らず多くの製品で発生する可能性が高いデバイスです。
現在、市販製品と言われるCOTS品が使用されていますが、DC/DCコンバータの場合はどうでしょうか？
今回は、宇宙品質のDC/DCコンバータの故障の一部を知っていただくことで、宇宙品質のDC/DCコンバータを使用しない場合に気を付けるべき部分として、設計に反映していただければと思います。
概要
ハイブリッド型DC/DCコンバータの入手性、品質、および信頼性の問題により、多くのNASAプロジェクトにおいて、コストとスケジュールに影響を及ぼしています。
軌道上の障害もいくつか発生していますが、その多くは開発時や試験時に障害が発生しています。
この記事は、デバイスの選択、購入、および試験について、NASA NESCの調査によって、2008年に文書化されたDC-DCコンバータの教訓をまとめたものをリライトしたものです。
ガイダンス作成の経緯
電子スイッチモードDC/DCコンバーターは、入力エネルギーを一時的に保存し、そのエネルギーを別の電圧でデバイスの出力に放出することにより、ある直流（DC）電圧レベルを別の電圧レベルに変換します。
過去20年間、このアセンブリにおいて故障や障害が発生していないNASAの宇宙機のプロジェクトはほとんどありません。
軌道上での故障が疑われるものが、重力場観測のための観測衛星のGRACE、国際宇宙ステーション、ハッブル宇宙望遠鏡などいくつかありますが、多くの場合は、システムとサブシステムの開発や試験中に発生しています。
DC/DCコンバーターは、特性評価が難しいハイブリッドデバイスです。
多くの異常は、部品の誤使用に起因しています。
サブシステム設計者のデバイス仕様の主な情報源は、製造元の製品データシートですが、この中には必要な情報がすべて記載されているわけではありません。
多くの宇宙機のアプリケーションは、デバイスに低負荷をかけています。
この使用方法は、通常、製品データシートの仕様に反映されていないものです。
サブシステムアプリケーションが最適な電気的パラメータと異なる場合、DC/DCコンバータのパフォーマンスが急激に低下する傾向があります。
慎重に選定したDC/DCコンバーターでさえ、宇宙機システム開発の過程での設計変更に脆弱になります。
DC/DCコンバータは、品質と信頼性の課題ももたらします。
いくつかの宇宙飛行プロジェクトでは、部品の製品評価である破壊的物理分析（DPA）、放射線試験、または寿命試験（地球観測衛星Jason、宇宙赤外線望遠鏡、火星探査ローバーなど）、ベンチテスト、機械環境試験（Cloudsat、ハッブル宇宙望遠鏡など）に対する脆弱性、デバイスの仕上がり品質が悪いために失敗しました。
宇宙品質（ClassK）のデバイスの場合でも、ハイブリッドの軍用規格（MIL-PRF-38534）の規定の多くは、宇宙機システムの信頼性を実現するには不十分です。
宇宙品質の要件は、コンデンサテスト、ハイブリッド電気ディレーティング、ワーストケース分析、低放射線量率、シングルイベント効果制限などがあり、一般的な軍事用途の要件（MIL-PRF-38534）よりも厳しいです。
また、部品の一部の設計変更が発生した時に、軍事用途の要件ではデバイスを再認定する必要はありません。
設計者は、ClassKの代わりに安価なClassHまたは低クラスのデバイスを使用してコストを節約しようとしたことがありますが、システムとサブシステムでの統合試験で周辺部品が溶融されたりして作り直すことになり、コストを考慮すると高い品質品を使用した方がはるかに低コストになります。
NASA Engineering & Safety Center（NESC）は、FPGA（Field Programmable Gate Arrays）の次に、DC/DCコンバータが最も厄介な設計対象としてランク付けされる可能性があると考え、NASAのプロジェクトメンバーにガイダンスを提供するための調査を開始しました。
電気試験は、NASAの宇宙機システムでのデバイス適用のリスクを軽減する試験方法を導き出すために実施されました。
NASAガイダンス文書は、これらのデバイスの選択、購入、およびテストで飛行プロジェクトを支援するために作成され、デバイスの使用から学んだ教訓を文書化しています。
Lessons Learned
ハイブリッド型DC/DCコンバータの入手性、品質、および信頼性の問題により、多くのNASAプロジェクトにおいて、コストとスケジュールに影響を及ぼしています。
NASA宇宙機のハードウェアで一般的なデバイスの選定傾向は次のとおりです。
- 部品だけでなく複雑なアセンブリにおいても、宇宙機システムへの適用を成功させるには、学際的なサポートチーム（設計エンジニアリング、電子部品エンジニアリング、品質保証エンジニアリング、信頼性エンジニアリング）が必要です。
- 長いリードタイムの調達：システム要件の変更により、プロジェクトがアプリケーションに適さない電力変換器を選択する可能性があります。
Lessons Learnedを受けての推奨事項としては次の通りです。
DC/DCコンバータの選択と適用に関する詳細なガイドラインを提供します。最も重要な推奨事項は次のとおりです。
デバイスのアプリケーションと試験
１．製品のデータシートには通常、DC/DCコンバータに関するすべての情報が記載されているわけではないことを認識し、技術担当者に連絡して疑わしいアプリケーションについて議論してください。
２．市販（COTS）の既製コンバーターは、非常に軽い（<20％）負荷では安定性が低いことを認識してください。
より負荷の高いアプリケーションで使用する場合でも、負荷の低いアプリケーションでも問題がないと考えないでください。
３．COTSのハイブリッドEMI除去フィルターには減衰のない共振があり、フィルターとコンバーターの組み合わせの安定性を確保するために追加の外部部品が必要です。
プロジェクトでは、回路全体を分析し、部品（LRおよび/またはRCネットワークなど）を追加してフィルターの共振を減衰させ、入力電圧、出力負荷、および温度のアプリケーション範囲にわたってフィルターとコンバーターの組み合わせの安定性を保証する必要があります。
４．同期機能は、JPLミッションがノイズを制御するために必要になることがよくありますが、絶対に必要な場合にのみ使用する必要があります。
外部同期機能は、同期信号の振幅、周波数、立ち上がり/立ち下がり時間、および回路の接地に非常に敏感です。
誤用すると、コンバータ出力のノイズまたは発振が増加します。
５．軌道上の入力電圧ランプ条件下でのDC/DCコンバータの特性評価。
一般的な宇宙軌道上のアプリケーションでは、入力電圧と電流のスパイクを軽減したり、発振せずにデバイスをオンにしたりするのに十分な入力電圧ランプレートが提供されない場合があります。
６．追加のDC-DCコンバータテストの推奨事項は、1998年の教訓（https://llis.nasa.gov/lesson/603）で提供されました。
デバイスの信頼性
７．内部デバイス回路で部品応力解析（PSA）を実行します。
単にデバイスを「ブラックボックス」としてディレーティングすることは避けてください。
８．DC/DCコンバーターでワーストケース分析（WCA）を実行し、総放射線量だけでなく、強化された低線量率と変位損傷の影響も分析してください。
９．デバイスがフライト認定された後に発生する設計、または作業・設計工程への変更を確認し、必要に応じて更新された工程の分析、または再認定を要求してください。
10．分析または試験により、デバイスの耐放射線性に関する製品データシートの結果を確認してください。
デバイスの品質
11．顧客におけるキャップ前の目視検査は、適切に訓練されたデバイス検査官によって実行されることを確認してください。
再作業が必要な欠陥を特定するために必要になります。
12．デバイスの蓋のシーリングとスクリーニングの後でも、欠陥が発生する可能性があるため、ClassK以外のすべての製品ロットでカスタマーDPAを実行してください。
デバイスの調達
13．デバイスの品質を達成するには、認定メーカーリストからデバイスベンダーを選択することを強くお勧めします
14．MIL-PRF-38534にはClassKデバイスでも欠陥があるため、作業範囲記述書（SOW）またはソース管理図（SCD）を使用して、顧客のキャップ前の目視検査、コンデンサとショットキーダイオードのスクリーニング、および定期的なMIL-PRF-38534グループを追加してください。
15．目的のコンバーターは通常、ベンダーの在庫から入手できないため、長い（6か月を超える）リードタイム製品としてコンバーターの調達を計画してください。
16．高品質のデバイスを調達するように勧めます。
アップスクリーニングを含む低品質の総コストと、プロジェクトに対するロット障害のコストとスケジュールの影響は、高品質デバイスの初期コストを大幅に超える可能性があります。
17．デバイスのアプリケーションやロットの故障に関連する問題を解決するには、調達サイクル全体を通じて、設計エンジニアリング、電子部品エンジニアリング、品質保証エンジニアリング、および信頼性エンジニアリング機能を代表する監視チームのプロジェクト計画と予算が不可欠です。
最後に
宇宙品質の製品に手間がかかる理由の一端を知っていただければと思います。
多くの管理や試験を実施しているため、高コストになり、これらを購入するだけでも宇宙機のプロジェクト全体の開発を遅くしている理由でもあります。
人工衛星においてシステムの統合作業を早くしても、部品調達に関しては早くなりません。
人工衛星はシリーズというより単発打上げが多く、期間も数年間隔であり、デバイスの製造メーカーも生産工程の更新や材料の入手性も変わり、製品自体の寿命もあるために長期保管に適しないこともあります。
そのため、ほぼ毎回、デバイスを調達しているという経緯があります。
スターリンク衛星のように定期的に大量に打上げる場合は、デバイスメーカー側に負荷も減るために、部品生産側としてメリットはありますが、そうでない場合は、部品生産側に負荷を強いられることになります。
近年、部品の品質も高くなっていますが、やはり宇宙品質の方が大型衛星においてはコストが低い傾向が多いです。
中型・小型衛星の場合は、コストとスケジュールの観点からどちらを選択するか、製品の信頼性も考慮した上での判断を望みます。
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Lessons Learnedとは
Lessons Learnedとは、組織(に関わらないですが)において業務を遂行した上で得られた教訓(学んだ教訓)のことを指しています。
得られた教訓というと、失敗や不具合だけを想像しがちではありますが、成功したことについても教訓としてあげられます。
Lessons Learnedは同じ失敗を繰り返さないようにすることと、計画が順調に進んだ成功要因を共有することの2つがあります。
NASAで公開されているNASA Lessons Learned Steering Committee（LLSC）から、宇宙業界に限らず、工業製品でも適用できそうなLessons Learnedを集めてみました。
参考サイト
NASA Lessons Learned
https://www.nasa.gov/offices/oce/functions/lessons/index.html
NASA Lessons Learned Steering Committee（LLSC）
Counteracting the Threat of Counterfeit Components
