マイクロコントローラの回路保護

基本的なマイクロコントローラ保護

マイクロコントローラの回路保護回路を設計する場合、まず基本事項を理解することが不可欠です。これは、導体に接続され、外部に露出しているデジタルピン（コネクタなど）が適切に保護されていることを意味します。 ツェナーダイオード および電流制限抵抗器。アナログ入力も外部導体に接続する場合は、ツェナー ダイオードと電流制限対策が必要です。

マイクロコントローラの設計は、CMOSの性質上、ノイズの多い電源レールにも敏感です (ノイズの多い電源ラインにより、ロジック ゲートが誤って動作する可能性があります)。そのため、正しいタイプのデカップリング コンデンサを使用することが重要です。バルクコンデンサ（極性コンデンサなど）は、周辺機器や高電力デバイスからの突然の電力需要を処理するのに役立ちます。一方、小型の非極性コンデンサは、電源レールのスイッチングノイズを低減するのに役立ちます。

多くの場合、マイクロコントローラの電源ピンの各ペアに、等価直列抵抗 (ESR) 値が低い小型の非極性コンデンサを配置する必要があります。たとえば、 PIC18F45K22 には2組の入力電源 (VDDとVSS) があり、各組には低い値のセラミック コンデンサ (10nFなど) が直接接続される必要があります。

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回路保護の種類

これまでのところ、上で説明した保護方法は受動的なものが多く、サージのみに対処します。他の形式の回路保護についてはどうでしょうか?

電圧と電流のサージはマイクロコントローラに損傷を与える可能性がありますが、信頼性の低い電源と停電は、おそらくさらに大きな損傷を引き起こす可能性があります (物理的な意味での損傷ではありません)。一般に、回路は低電圧で動作しても損傷を受けることはほとんどありませんが、デジタル ロジックを含む回路は予期しない動作をする可能性があります。

外部の視点から見ると、低電圧で動作するマイクロコントローラベースの回路は、ディスプレイを駆動し、ファームウェアを実行できる可能性があります (したがって、動作しているように見えます)。ただし、I2Cデバイスなどの外部ソースからのデータは、正しい電圧レベルで動作しないため、信頼できない可能性があります。これにより、信頼性についての誤った認識が生じる可能性があります。回路が安全装置を制御している場合、回路の半分だけが動作していると重大な傷害を負う危険があります。

では、電力レベルの低下から回路を守るにはどうすればよいのでしょうか?

マイクロコントローラの電圧低下検出

過電圧や過電流は、多くの場合、外部の個別コンポーネント (ヒューズやダイオードなど) の使用によって軽減されますが、電力低下 (電圧低下とも呼ばれます) を防ぐのはより困難な場合があります。

1つの方法は、小さな電圧レベルで動作し、電源レールをアクティブに監視できる専用回路を設計することです。このアプローチの問題点は、設計の価格が上昇するだけでなく、最終的なPCBの複雑さも増す可能性があることです。しかし、設計者のコストを最も軽減できる可能性のあるソースが1つ豊富に存在することがよくあります。それは、マイクロコントローラそのものです。マイクロコントローラ ベースの設計では、周辺機器、ピン、メモリ、処理時間に余裕があることは珍しくありません。つまり、設計者は、アクティブな回路の健全性監視を実行するために、設計に追加のコンポーネントを含める必要がありません。一部のマイクロコントローラ ( Microchip Technology のPIC18F45K22など) には電圧低下周辺機器が含まれており、リセットを発生させたり、電圧低下が検出されたことをファームウェアに通知するフラグを設定したりできます。

では、基本的な回路監視システムはマイクロコントローラでどのように実装されるのでしょうか?

マイクロコントローラ入力電圧

マイクロコントローラ ベースの回路保護の基本レイアウトを以下に示します。必要なハードウェアは、予備のアナログ入力と内部バンドギャップ リファレンスの2つだけです。バンドギャップリファレンスがリファレンスを提供している間、外部VDD電圧を測定するにはアナログ入力が必要です。ADCの一般的な動作方法を考えると、バンドギャップ リファレンスの重要性は過小評価できません。ADCは、ADCへの入力電圧とADCの2つの参照に比例する値を持つバイナリ出力を生成します。ADCのリファレンスが電源レールである場合、VDD電源レールのADC読み取り値は常に最大値になります。バンドギャップ リファレンスを使用すると、電源電圧に依存しないADCの電圧リファレンスが提供され、マイクロコントローラが電源電圧を測定できるようになります。バンドギャップリファレンスは温度に依存しないため、温度範囲全体にわたって正確な電圧読み取り値を提供できるという点でも便利です。

電圧低下検出回路

上記の簡単なフローチャートの例は、マイクロコントローラを使用して電源電圧をアクティブに監視する方法を示しています。これは、マイクロコントローラを実行するには電源が十分だが、外部ハードウェアを実行するには電源が足りない場合に特に便利です。残念ながら、この例ではマイクロコントローラを電圧低下から保護することはできません。電圧低下のシナリオでは、専用の電圧低下検出回路（バンドギャップリファレンスに依存）または独自の電圧低下検出システムを備えたマイクロコントローラのいずれかが必要になります。多くの設計者にとって、追加の外部回路を使用することは、製品コスト、部品数、およびPCBの占有面積を考慮すると、コストが高すぎることがよくあります。したがって、電圧低下検出周辺機器を内蔵したマイクロコントローラの使用が望ましいです。

PIC18F45K22は、さまざまな電圧トリップ ポイントを備えたMCUの例です。電圧低下が検出されると、MCUがリセットされ、電圧低下リセットが発生したことをユーザーに通知する特別なCPUフラグが設定されます。MCUはリセットを実行するため、CPUフラグ (ブラウンアウト フラグを含む) をチェックする特別なハンドラーを最初に実行することが必須です。フラグが設定されている場合は、外部周辺機器のシャットダウンや警告灯の表示などの特定のアクションを実行できます。

結論

マイクロコントローラは多くの製品の中核を構成しており、その幅広い機能によりさまざまなタスクを実行できます。I/Oの性質上、回路の状態監視も実行でき、予備のアナログ チャネルを使用して回路上のさまざまなポイントを読み取ることもできます。

マイクロコントローラは、回路障害時に非常に複雑な手順を実行する機能も提供し、次の設計を強化するのに役立ちます。