2018年 1月 の投稿一覧

今はUSB 3.0なんて新しい規格もありますが、組み込み用途ではそんな5Gbpsなんて速度は必要とされないことが多く、今でも一つ前のUSB2.0相当で設計されることは多いです。

さて、通信部分については今回触りません。

今回のテーマはUSB2.0の電源です。

民生用機器だけでなく産業用機器でも

「通信はUSBなら、電源もUSBで取ってよ。別にACアダプタが必要とか面倒でやだ！」

と言われる時代です。

USBから電源を取る機器も多いです。

ですが、この時に安易に「5V 500mAだろ」と考えてしまう設計者が多いのですが、実は違います。

まず電圧は500mA対応のハイパワーポートを想定しても4.75-5.25Vのバラ付きがあります。

さらに、ケーブルでの電圧降下がVBUS側125mV,GND側125mV認められています。

つまり、機器に入ってくる電圧は4.75-0.125-0.125=4.5Vです。

つまり、4.5-5.25Vを想定しないといけません。

なお、これはハブを使わない場合です。

ハブを使うとさらに最大350mVの電圧降下が発生するので、さらに下がります。

次に電流ですが、たしかにハイパワーポート（PCなどホスト機器でローパワーポートなんて実際にないので）は500mA引けます。

しかし、「500mA要求します」とホストとネゴシエーションしないと500mA引けません。

ネゴシエーションする前はローパワーデバイスとして振る舞わなければならないので、100mAしか引くことが出来ません。

さらに最大負荷は「10uFのコンデンサと44Ωの抵抗の並列」を超えてはいけないという規定があります。

つまり、電源のパスコンに47uFとか使ったらアウトなわけです。

……とまぁ、USB対応を謳うとこういったこと全てにきちんと対応する必要があります。

が、ぶっちゃけ大変です。

民生用ならとにかく、産業向けだと「無駄にお金をかけて規格を取るより、法律的に問題なくきちんと動けばいい」という判断をすることが多いです。

その場合、「USB2.0 準拠」という書き方にして、「実質的にはUSB2.0が使えますが、すべての規格を完全には守っているわけではありません」ということにします。

ま、これで実際困らないんですけどね・・・。

（実際はネゴシエーションなんか関係なく500mA供給できますしね）

以上、小田切でした。

最近、POLと言う言葉をよく聞きます。

POLというのは「Point of Load」（負荷の点）のことです。

POLという単語から、そういう部品があるのか想像してしまいますが、そういうわけではありません。

ちなみに「負荷」という言葉があるので、電源用語です。

簡単な回路や旧来の回路では、デジタル回路が使う電源は5Vや3.3Vの単一で、電流もあまり多くありません。

現在でも小規模な組み込み回路ではこれが当てはまります。

こういう回路では、普通にLDOだとかDCDCで5Vや3.3Vを作って基板全体に供給すれば問題ありません。

しかし、今のデジタル回路というのは電源も多ければ、電流も多いのです。

・5V

・3.3V

・2.8V

・1.5V

・1.2V

etc…

と場合によっては10電源以上あったりします。

しかも、それぞれの電圧の正確性も必要で電流も多いです。

例えば「1.2V±0.05V、1A」の電源が必要としましょう。

すると、もし電源回路とICの間に0.1Ωの抵抗があると、1A×0.1Ω=0.1Vの電圧降下が発生して範囲を外れてしまいます。

こういう厳しい条件になると0.1Ω程度の僅かな抵抗でも問題になってしまうのです。

とまぁ、こんな状況から生まれたのがPOLという考え方です。

POLという部品があるわけではなく、「負荷の近くで電源を作ろう」という考えです。

POLを実際に作るには普通のLDOやDCDCを使用します。

これまでの考えでは、1.2Vが必要な部品が二つあったら、一つの電源で1.2Vを生成して分配して供給していました。

しかし、先程のように僅かな抵抗でも問題になってしまうので、長い配線になってしまうと破綻してしまいます。

POLの考え方では、1.2Vが必要な部品が二つあったら、電源を二つ使います。

まず、それぞれの部品の近くに高い電圧(1.8Vとか3.3Vとか）を供給し、部品の隣で1.2Vを生成します。

こうすると電源生成部と部品の距離が限りなくゼロになり、配線抵抗もゼロに近くなります。

これにより、大電流でも高精度な電源が供給できるわけです。

このように、電源が増えて大電流になってくると発送の転換も必要になります。

以上、小田切でした。

回路設計する際に、「今回はこのCPUで行くからね」「このICで作って」と言われればある意味楽です。

意外と厄介なのが、縛りがほとんどない場合です。

例えば、電源です。

「DC15Vから5V,250mA以上作って」

と言われれば、レギュレータでもDCDCコンバータでも山のように該当品が見つかります。

「DC５Vラインに使う静電気対策の保護部品を選んで」

と言われれば、これも山のようにあります。

まず要求スペックがあってそれに該当する部品を選びます。

しかし、それに該当するものが３つ程度なら話は簡単ですが、数百個と出てきてしまうと……なんというか頭を抱えます。

設計者としては「最も適切だと判断した部品」を選ばないといけません。

「いいやこれで」とはなかなかいきません。

ということで、自分なりの基準をちょっと紹介したいと思います。

１，メーカー

聞いたこともなくて取引のないメーカー、中国メーカーなどはサポートが非常に心配です。

電子部品はトラブルがつきものですので、サポート・保証が信頼できない部品は出来る限り避けます。

「そのメーカーにしかない」などのやむを得ない理由がない限り、怪しいメーカーは選考外です。

２，部品サイズ

設計を開始する頃には「サイズに余裕がある基板」か「サイズに余裕がない基板」かが検討が付いています。サイズに余裕が無いときは、大きなパッケージの部品は選考外にします。

３，DIP品

DIP品とSMD品がある場合、DIP品は裏面に部品が搭載できず実装も面倒なことから、DIP品は除きます。

※強度が必要なコネクタのみDIP品を選定することもある

４，価格

ここまできたら価格です。

しかし、該当部品が多いと一つ一つ商社に見積もりを出しているとキリがありません。

DigikeyやChip1STOPでリールで買ったときの価格で相場を調べて判断します。

コスパが上位の部品のみ、正式に商社に見積もりをさせます。

５，納期

商社に実際に見積もりを出してみて、納期が異様に長い部品は避けるようにします。

こんなところでしょうか。

なにかのときの参考にどうぞ！

以上、小田切でした。

無線通信で使うような、400MHzや900MHz、2.4GHzなどの高周波になるとちょっとしたことが大きく影響するようになってきます。

例えば、数十kHzのUART波形を測定する際に、太い線で引き出そうがエナメル線で引き出そうが、波形はほとんどかわりません。

というか、違いがわかりません。

ところが、高周波になってくるとそういったことが大きく影響してきます。

実は最近そういうことがありました。

900MHzを使う無線機器で、電波の出力レベルの確認のため基板から配線を引き出しました。

測定器側は同軸で入力するので、同軸ケーブルを使用します。

ですが、同軸ケーブルは硬いので基板の細かなパターンに直接はんだ付けすると、ケーブルのしなりでパターンが剥がれてしまいそうになります。

ということで、まず、基板上のパターンから3-4ｃｍほどエナメル線で引き出し、そこから同軸ケーブルにつなげました。

しかし、この後数値が違うという問題になり・・・

結局のところ、そのエナメル線が問題だとわかりました。

同軸ケーブルの中に3-4cmのエナメル線部分があるだけで、なんと出力が３分の１以下になっていました。

「高周波を通すときは同軸ケーブルを使用して、高周波の出力部分から測定器まで特性インピーダンス50Ωで通す」

のが基本ですから、もちろんエナメル線は問題です。

私は基本的にはよくないと分かっていながらも、基板を壊すわけには行かなかったので「そこまで影響ないだろう」と甘く見ていました。

ところが想像以上に大きく変化していました。

ということで、みなさんも高周波を扱うときは気をつけましょう。

ケーブルを接続する際にも50Ωの線路から直接同軸ケーブルに繋がるように、上手くはんだ付けしましょう。

以上、小田切でした。

今はUSBやSDカードなど、電源を入れたまま抜き差しできるデジタルなものがたくさんあります。

だからなんとなく、どんなものでも電源を入れたままケーブルを抜き差しする人が居ます。

設計者として言わせてもらうと、絶対に止めてくれ！！！

電源を入れたまま抜き差しすることを「活線挿抜（かっせんそうばつ）」といいます。

ケーブルの抜き差しの際にはケーブルのインダクタ成分による起電力が発生します。

要は抜き差しの瞬間に変な高電圧が発生するんです。

そして、端子が繋がる順番が超大事です。

GNDからつながればなんということはありませんが、電源と信号線だけが繋がるとこれは大変！

普通は、電源→GNDとながれる電流が、電源→信号線と流れるので、信号線に大電流が流れてICが破損することもあります。

ということで、活線挿抜に対応するには

１，GNDが最初に接続されるコネクタであること

（SDやUSBはそういう設計になっています。普通のコネクタはそうではない）

２，高電圧（サージ）対策部品がついていること

の二つが必須です。

基本的にはコネクタは電源OFFのときにしか抜き差ししては駄目。

そして、活線挿抜対応するにはコネクタから見直しが必要ということです。

以上、小田切でした。

オシロスコープにはだいたい1kHzの出力がでている端子があります。

それをプローブで触ってみましょう。

そうすると、綺麗な1kHzの方形波が表示されます！

以上！！

・・・で終わればいいんですが、案外綺麗な方形波が出ない例が多いんです。

方形波なので平らに表示されるべきところが、斜めになっているんです。

これは出力している波形がおかしいんじゃありません。

波形を観測しているプローブに問題があるんです。

「え？　このプローブ壊れてるの？　買ったばかりだけど？　っていうか、使えてるよ」

壊れては居ませんが、調整ができてないんです。

「え、調整？」

そう、調整です。

けっこう無頓着な人も居ますし、そもそもそれを知らない人が居ます。

オシロスコープというのは高周波を扱うので、プローブ内部のコンデンサ容量とオシロスコープ内のコンデンサ容量の影響で波形が歪むのです。

そして、オシロスコープの機種や個体差によってコンデンサ容量が変わるので、プローブの容量もそれにあわせて調整しないと正しい波形になりません。

それを調整するにはどうするか。

プローブの何処かにトリマーコンデンサという、ドライバで回せる小さな部品があります。

１，プローブの持ち手に小さな穴があって、その奥にトリマーコンデンサがある場合

２，オシロスコープにつなげるコネクタ部の側面にトリマーコンデンサがある場合

の両方があります。

１，1kHz出力端子をプローブで触る

２，波形がおかしければ、トリマーコンデンサを回す

３，もう一度1kHz出力端子に触る

を繰り返していい感じに調整します。

これはプローブとオシロスコープの組み合わせで決まるので、一度調整しても別のオシロスコープに繋いだら崩れてしまいます。

なので、プローブを複数のオシロスコープで使いまわすのは止めたほうがいいです。

毎回トリマーの調整が必要ですし、トリマーはそもそも頻繁に回す想定でないので、何度もやっているとトリマーはすぐ壊れます。

だからといってトリマーを調整しないとただしい波形が取れません。

それじゃ意味がありません。

ということで、

・プローブをオシロスコープにつなげる際にはトリマーを調整する

・複数のオシロスコープでプローブを使いまわさない

ということに注意しましょう！

以上、小田切でした。