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こんにちは!
ゆってぃ(ぽぽんた)です!

※このブログは、もともとはバンド活動用として立ち上げたものですので、ここではバンド内での呼び名「ゆってぃ」として記事を書いています。ただ、SORACOM UGのLT時には「ぽぽんた」(SNSなどではぽぽんたと名乗っているので…)として自己紹介してしまったので、これからは名前を併記することにしました。

4/26(木)に大崎ブライトコアホールで実施されたSORACOM UG #10(SORACOM Technology Camp 夜の部)SORACOM UG #10(SORACOM Technology Camp 夜の部) で、僭越ながらわたくしゆってい(ぽぽんた)が、LTをさせて頂きました。
あの時の資料をまだ公開していなかったのと、回路の詳細説明も割愛してしまったので、本ブログでしっかりとご説明できればと思います。

スライド
LTの発表資料はここに置きました

はじめに
本記事では回路について説明しますが、現在の僕はソフトエンジニアであって、回路エンジニアではありません
(前職では5年程、回路エンジニア兼ソフトエンジニアをしておりましたが、ここ4年間はソフト一本でやってきています)
そのため、回路上に不適切な箇所が多々あるかと存じます
お気づきの際は、是非是非ご指摘をお願いします!
のっけから言い訳がましくて申し訳ないです…

それでは、回路の説明に入りたいと思います。

回路の説明
低消費電力回路


概要
この低消費電力回路は、二つのUSB端子を有しており、片方はバッテリーに、もう片方はWio LTE本体に接続されます。
Wio LTEの後段にはMOSFETがあり、このMOSFETをON/OFFすることで、Wio LTEへの電源を制御します。
このMOSFETは通常ではOFF状態ですが、口述する起動要因が入ることでON状態となり、Wio LTEへの電源が供給されるという仕組みです。
起動要因がなくなった時点で、再びOFF状態へ戻り、Wio LTEへの電源は遮断されます。

USBコネクタ
まず、左上のP11ですが、これはモバイルバッテリーと接続するためのUSBコネクタです。
今回は、ユニバーサル基板での実装だったので、ブレッドボード用マイクロBメスUSBコネクタDIP化キットを使用しています。
右上のP12は、Wio LTEとの接続になるので、基板取付用USBコネクタ(Aタイプ メス)を使用しています。
こちらはブレッドボード用ではなく、生のコネクタをユニバーサル基板に刺しています。
(ただし、コネクタ固定用の側面のピンはユニバーサル基板の穴に入らないので、ボール盤で基板に穴をあけて実装しました)
ユニバーサル基板用のコネクタも売っているのですが、これを使用するとWio LTEをマウントした時の高さが高くなってしまうため、大きさを重視する方は生のコネクタを使用することをお勧めします。

RTC
この回路のキモは、U21にあるRTC8564 (RTC IC)です。
このRTC ICはI2Cインターフェースとアラーム割り込みを持ち、予め設定しておいた時間になると、/INT端子からLowが出力されるという機能を持ちます。まぁ、よくある一般的なRTC ICですね。魅力なのは待機時の消費電力で、I2Cアクセスがなければ、330nAしか消費しません。
動作電圧も1.8V~5Vと広く、大変使いやすいです。
ただ、今回はWio LTEとI2Cで通信をするので、動作電圧をWio LTEに搭載されているSTM32F405と同様の3.3Vまで下げる必要があります。(こうしないと、I2Cの通信でSTM32F405に5Vが入ってしまうためです)
そのため、USB 5Vから3.3Vを生成するためのレギュレータであるU11が入っております。

電源駆動回路
Wio LTEの電源を最終的にON/OFFするのは、Q23にあるN-ch MOSFETのEKI04027です。
プレゼン資料では、皆さんに直感的に理解してもらうためにハイサイドスイッチ(負荷 = Wio LTEの上段に位置するスイッチ)としてFETを使用しているポンチ絵を描きましたが、実際の回路ではローサイドです。
そのため、このFETはWio LTEのGNDラインを制御する形になっています。

N-chなので、ONするにはゲートに電圧をかければよいのですが、MOSFETのゲートってあんまり強くないのです。
そのため、ON時の突入電流で、ゲートが壊れてしまうことがあります。
なので、R13とC21のようなRC回路を組んで、突入電流を抑えるようにしてください。
なお、Wio LTEのMOSFET回りも、ちゃんとその様に設計されています。

WioLTE抜粋

(余談ですが、僕の大学院時代の研究対象はMOS FETでした。それも超小型の。当時(2008年)の半導体業界は、28nmプロセスを実現するために躍起になっていたのですが、いまや10nm世代が誕生しようとしていますもんね…。技術の進歩は本当に早いものです)

起動要因のOR回路
ここは少しややこしいのですが、今回の低消費電力回路は、複数の条件で上記のMOSFETをONします。
具体的には、下記の①~③のいずれかが発生すると、MOSFETがONされます。

①RTC ICの割り込み出力
②プッシュボタン押下
③Wio LTEからの自己保持信号出力

①は当たり前なので、説明不要ですね(笑)
今回採用したRTC8564の割り込み出力はLow出力です。
つまり、設定した時刻になると、/INT端子がGNDレベルになります。
すると、Q12がOFFされて、MOSFETのゲートに5Vがかかり、ONされるという仕組みです。

②は、初回起動用のスイッチです。
初めて電源を投入した時は、RTC ICにアラーム時刻が設定されていないので、いつまでたってもWio LTEが起動しません。
そのため、電源投入後の初回起動だけは、プッシュスイッチで電源が入るような回路になっています。

③自己保持
これは②との組み合わせで使用します。
②だけだと、Wio LTEが起動しても、ボタンを離すと電源がOFFされてしまいます。
そこで、Wio LTEが起動後にGPIO電源をONしたタイミングで、その出力をGROVE経由(P21)で引っ張り込み、②のスイッチがオンされているのと同じ状況を電気的に作り出します。
結果として、初回起動時にボタンをポンっと押してあげれば、ボタンを離してもWio LTEの電源がOFFされないという仕組みです。
ここで、P21経由でWio LTEのGNDを低消費電力回路のGNDと接続しないようにご注意ください
先述のMOSFETにて、Wio LTEのGNDと低消費電力回路のGNDを導通させることでWio LTEへ電力を供給しているので、ここでGNDを繋いでしまうと、MOSFETとは関係なく、Wio LTEに電源が供給されてしまうためです。


以上が、この低消費電力回路の説明となります。
冒頭申し上げました通り、この回路には不適切な部分もあると思います。
お気づきの際は、是非メールやコメントなどを頂ければ幸いです。

あと、IoTゴミ箱としての制御用のソフトは下記においてあります。
https://github.com/poponta/WioLTEWithLowPowerConsumptionCircuit
ご参考まで。
(一部コメントが文字化けしてます…ごめんなさい)

最後までお読みいただいて、ありがとうございました!
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プロフィール

ゆってぃ

Author:ゆってぃ
経歴8年の組み込み系エンジニアです。
ソフトウェア開発経験ゼロの状態から、なんとか実務がこなせるようになってきた現在に至るまでの経験を、備忘録代わりに綴っていきたいと思います。
入門者の方、大歓迎!
(上級者の方、ごめんなさい…)

<守備範囲>
言語:C/C++(C++03/C++11)、一部アセンブラ
マイコン及びSoC:PIC、SH、FM3、R-Car
PoC基板:Arduino、RaspberryPi、Wio LTE
OS:OSレス、ITRON、Linux(Yocto)
サーバ技術:Docker、nginx
プロトコル:MQTT、DMX
その他:CAN、J1939

あと、ブログには全然関係ないですが、Bumpy Headというバンドのギターをやっています。
ライブ情報なんかも書いたりすることがあるので、その時に「行ってもいいよ~」といった感じのコメントを戴けると、泣いて喜びます(泣)
ブログ読んでくださってる方なら、チケット代サービスしちゃいます!

最後に…滅多に流用することは無いでしょうが、このブログに書かれているソースは、特に指定の無い限りMITライセンスとします。ただし、一部それ以外のものもございますのでご注意下さい。
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