6 外部コンポーネントを使用した周期ウェークアップ用タイマの延長

システムで周期的ウェークアップを使用することには多くの利点があり、ユーザがそれを採用したいと考える明確な理由があります。現在、TI の SBC に実装されている周期タイマの最大タイマ周期は 2 秒です。多くの使用事例では、最大期間 2s で十分です。しかし、主電源がバッテリ由来であり、システムが低消費電力のスリープ モードにある状況を想像してみてください。このようなアプリケーションでは消費電流が極めて重要であり、デバイスが周期タイマによってウェークアップするたびに、高消費電力の動作モードへ移行するため、供給電流が一時的に増加します。消費電流を考慮し、システムが一度に数時間低消費電力モードにあると仮定します。もし電力消費のスパイクが 2 秒ごとに発生すれば、時間の経過とともにバッテリーの持続時間に悪影響を及ぼす可能性があります。一般に、これらの設計では、ウェークタイマ期間を 2 秒以上に長くすることもできます。タイマ周期を長くすることで、スリープモード中のデバイスのポーリング回数を減らし、全体的な消費電流を抑えることができます。TCAN24xx-Q1 や TCAN28xx-Q1 など、タイマ周期の設定オプションが限られているもののローカル ウェークアップ ピンを備えた TI の SBC デバイスでは、外部回路を用いることでウェーク タイマ周期を延長できます。

一見すると、このシステム要件に対する設計は単純です。SBC 内蔵のタイマ周期が十分に長くないため、外部タイマを使用すればよいというものです。外部タイの出力を SBC のローカル WAKE ピンに接続することで、ウェーク タイマの周期を長くするという目的を達成できます。このようなアプリケーションでは、SBC はスリープ モード中であり、SBC 内蔵のレギュレータはすべてオフになっているため、外部タイマをこの間 SBC から給電することはできません。つまり、タイマは車載システムで一般的な 12V のバッテリから電力を供給する必要があります。一方、SBC は最大 28V まで耐えられます。同様の考慮事項を踏まえて外部タイマを選定します。入力電圧要件に基づき、TLC3555-Q1 などの 555 タイマ デバイスが適しています。

図 6-1 555 タイマを用いた周期ウェーク タイマの延長

この設計は、従来の 555 タイマをベースにしており、安定構成で動作します。RC 部品を調整することで、簡単にタイミングを設定できます。SBC が動作状態のとき、VCC1 出力が NMOS をオンにしてタイマをリセット状態にし (出力を強制的に Low にする)、そのため通常動作中は 555 タイマはリセット状態にあります。SBC がスリープ状態になると、VCC1 はオフになり、555 タイマは回路の RC 構成に基づいて OUT ピンにパルスを送信し始めます。555 タイマからのこの出力パルスは、SBC 内蔵タイマの最大値である 2 秒を超えることができます。ウェーク ピンを、Low–High–Low のパルス、または Low から High への遷移のいずれかを検出する設定に切り替えます。デフォルトでは、多くの SBC はエッジ検出です。

この方法を採用する際には、設計上 2 つの考慮事項があります。1 つ目の考慮点は、TLC3555-Q1 の電源入力耐圧が最大 20V であり、それを超えるとデバイスが損傷するおそれがあることです。12V の車載システムでは、TI の SBC が 28V である理由から、一般的な過渡に対してはこの点は十分ではありません。2 つ目の考慮点は、低消費電力設計に関するものです。多くの車載アプリケーションでは、スリープ時の電流が 100uA 未満であることが一般的な要件です。TLC3555-Q1 のスリープ電流は入力電圧 12V の場合に 240uA 〜 310uA の最悪値となる可能性があり、100uAの上限には収まらないため、この 100µA の制限はシステム要件です。100uA のスリープ電流が必要な場合、この問題に回避方法があります。

図 6-2 TI SBC における低消費電力拡張周ウェーク タイマの実装

調整後の設計はより複雑になりますが、基本的な考え方は前述の構成と同じです。SBC がスリープモードに入ると、タイマは RC 構成に基づいてウェーク ピンにパルスを送信し始めます。低消費電力を実現するには、TPL5110-Q1 のような低入力電圧対応タイマを使用する必要があります。このタイマは 5V 動作のため、システムの標準入力電圧である 12V を 5V に降圧する必要があります。システムがスリープ モード中でも 5V 電源レールを生成するために、LDO (TPS7B81-Q1 など) を使用できます。ただし、回路図から、設計の際に考慮すべき事項がいくつかあります。R3 を使用して間隔を設定します。間隔は 100ms ～ 7200s (2 時間) です。タイマのオンタイム中に DRV ピンが Low になり、5V 信号を WAKE ピンに接続する PMOS がオンになり、ウェーク信号を開始します。しかし、パルス幅はどうすればよいでしょうか？答えは DONE ピンの動作にあります。DONE ピンがアクティブ High パルスを受け取ると、DRV ピンが High レベルに戻ります。DONE ピンを使用しない場合、パルス幅は 50ms (標準値) の周期です。これを制御するために、PMOS (Q3) と NMOS (Q1) の 2 つの MOSFET を追加しています。ドライブ期間の開始時に、Q3 は R1 および C1 で構成された RC タイミング回路に信号を送信し始めます。C1 の電圧が所定のレベルに達すると、DRV ピンが High に戻り、Q3 をオフにして、同時に Q1 をオンにし、DONE ピンの電圧をグラウンドに戻します。これにより、Q1 が再びパルスを再開できるようになります。パルス幅は、RC 時定数にある係数を掛けた値になります。では、LDO はどう関係していますか？そしてなぜタイマと直接接続されていない 2 つの MOSFET が回路内に存在しますか？その答えは非常に簡単です。スリープ モードの LDO は、スリープ モードでのみイネーブルにする必要があります。これを実現するために、2 つの NMOS デバイス (Q4 と Q5) がインバータを構成し、VCC1 (3.3V または 5V) がアクティブなとき(つまりスリープ モードやフェイルセーフ モードでないとき) は VCC1 によって LDO がオフにされ、VCC1 がオフになると LDO がオンになってタイマに電力を供給します。この設計により、VCC1 のオン / オフのみ、期間、パルス幅、LDO 制御の完全な制御が可能です。この設計には、555 タイマベースの設計とは異なり、消費電力を節約できるという利点もあります。