今回はリセットIC(ボルテージディテクタ、電圧検出器)って何？という、お話の続きです。
ある日、入社3年目の新人B君がベテラン社員の先輩Aさんにつかまってしまいました……
2024年7月30日 公開
教えて先輩！シリーズ 第１５回
おすすめのリセットIC(ボルテージディテクタ、電圧検出器) ちょっとユニークだけど役に立つ！
さあ、ちょっと変わったリセットIC(ボルテージディテクタ、電圧検出器)の話をしよう。
いや、普通のリセットICでお腹いっぱいです……
まずは上下監視タイプからいこうか。
……
上下監視って、リセットICは下しか監視しなくて良いと思っていないかい？
……。それはそうですよ。マイコンは最低動作電圧を下回ったら正常動作できないんですから。
でも、マイコンというかICには動作電圧範囲っていうのがある。それには下限だけではなくて上限もあるわけだよ。
そうですけど、それってリニアレギュレータやスイッチングレギュレータのOVP(Over Voltage Protection: 過電圧保護回路)でケアされていますよね？
でも、過電圧でレギュレータICの出力がオーバーシュートしたらどうする？
それは……動作範囲以上の電圧がマイコンにかかって……マイコンが誤動作したり最悪は壊れる恐れがありますね。
というわけで、電圧上昇を検知してリセットをかけるボルテージディテクタがあるんだ。
え～っと。
まあ、マイコンには当然ながら電圧低下によっても誤動作、暴走のリスクはあるから、電圧低下と電圧上昇の両方を監視するんだ。上下監視タイプ、ウィンドウタイプなんて呼ばれているよ。ウィンドウ(監視窓)から外れた電圧に対してリセット信号を出すからね。下図のR3152シリーズがウィンドウ・ボルテージディテクタなんだ。
図1: 上下監視タイプ(ウィンドウ・ボルテージディテクタ)
これは前段のDC/DCコンバータ(スイッチングレギュレータ)やLDO(リニアレギュレータ)の出力を監視しているわけですか。+B 12Vって書いてありますからカーバッテリーですよね。あっ、リセット端子が過電圧検出(OV)と低電圧検出(UV)の２つあってプルアップされているのでNMOSオープンドレイン出力ですね。遅延時間設定用の外付けコンデンサがあります。
タイミングチャートはこんな感じ。電圧低下でも電圧上昇でもリセット信号"L"が出ているよね。
図2: 上下監視タイプ(ウィンドウ・ボルテージディテクタ)のタイミングチャート
確かに。でも、タイミングチャートには解除遅延時間がないですね～。
あれ？ホントだね。まあ、模式図だから。このR3152シリーズは最大入力が42Vなんだよ。検出電圧は過電圧検出(OV)が 1.1V～5.9V(0.01V単位)、低電圧検出(UV)が 1.0V～4.8V(0.01V単位)なんだよ。R3152シリーズは自動車関係や産業機器関係に使われることが多いかな。機能安全とか高信頼性が求められるシステムだからね。ウィンドウタイプの製品は他にもたくさんあるんだよ。
ああ、そうだ。余談なんだけど、ウィンドウタイプって検出電圧が２つ、解除電圧が２つあるよね。最近のマイコンって低電圧化が進んでいるから動作電圧範囲にこの４つの電圧を入れこむのって大変なんだよ。
はい？
つまり、普通に作るとこんな感じになってしまうんだ。下図の説明をすると、真ん中のピンク色の3.3V±1.0%というのがリニアレギュレータの出力電圧範囲だよ。結構精度が良いのを使っているよね。そこに検出電圧が3.55Vと3.08Vのボルテージディテクタ(リセットIC)で上下監視をしたとするとどうなるかってことなんだ。結果的にマイコンの動作電圧範囲である3.3V±5%を上も下もオーバーしちゃっているんだよ。
図3: 従来技術でウィンドウタイプのリセットICを作った場合
確かに。って、3.3V±0.3V(3.0V～3.6V)のマイコンでも上がはみ出してダメじゃないですか……。そうか、リセットICを2個使えば上下監視ができるかとも思ったのですが、低電圧のマイコンの場合は電圧のばらつきを考慮すると無理なんですね。というか、ヒステリシス幅も大きいってことですか。カタログスペックでは高精度をうたっていても温度ばらつきまで含めるとこんな精度になっちゃうんですね。
だから、ウィンドウタイプのリセットICは高精度化されているんだ。こんな感じにね。検出電圧精度もヒステリシス幅も全温度範囲で高精度なんだよ。
図4: R3152シリーズの高精度化技術で低電圧マイコンでもウィンドウタイプが使用可能に
なるほど。実はすごいんですね。
さて、次の変わったリセットICは高電圧を直接検知できるタイプだね。
それは知ってます。抵抗分圧で電圧を下げる必要がないってやつですよね。抵抗へのリーク電流がないので省エネですし。
自動車など高い電圧のバッテリー駆動機器に最適なんですよね。
図5: 高電圧を直接監視可能なタイプ
そうだね。産業機器でも使われているかな。R3160シリーズは最大60Vまで入力可能で48Vまで検出可能だからマイルドハイブリッドカーの48Vバッテリーにも対応できるってわけさ。このタイプにCMOS出力タイプが出たって知ってる？
えっ？NMOSオープンドレイン出力(Nch. オープンドレイン出力)じゃないんですか？
NV3600シリーズとNV3601シリーズだよ。NV3600は高耐圧のSENSE端子分離型なんだけどCMOS出力があるんだ。これだとプルアップ抵抗のリーク電流もないのでさらに省エネになるわけだよ。NV3601は加えてウィンドウタイプなんだよ。どちらもSENSE端子で42Vまで検出可能なんだ。
結構便利かもしれないですね。
それにヒステリシス幅を変更できるタイプがあるんだ。
図6: ヒステリシス幅可変タイプ(検出遅延時間・解除遅延時間も外付けコンデンサで可変)
ヒステリシスってリセットICの電圧の「遊び」ですよね。変更できるのは良いのかもしれないですけど、そこまで必要でしょうか？
遅延回路内蔵型があるからね。「遊び」である遅延時間を外付けコンデンサで自由に設定できたら充分と思うかもしれないね。R3150シリーズはそれに加えてヒステリシス幅も設定できるんだよ。厳密には検出電圧と解除電圧の組合せを選択指定するんだけどね。つまり、セミカスタム的な感じかな。
なるほど、NJU7295シリーズもヒステリシス幅を外部設定できますよね。こちらはVIN端子とHYS端子の間に抵抗をいれることで設定するみたいです。
話を戻すと、解除遅延時間という「遊び」で充分ではないかという点については、さっきのウィンドウタイプの例を見れば理由がわかるのではないかな？リセットICの検出電圧、解除電圧には製造ばらつきや周囲温度によるばらつきがあるんだよ。これは仕方ないよね。そして、普通のリセットICの解除電圧、つまり、ヒステリシス幅はICメーカーが設定しているわけだよ。それに製造ばらつきや温度ばらつきなどを考慮するとマイコンの動作電圧範囲に収まらないというケースがあったりするわけ。
なるほど。だから、ヒステリシスなしの製品があったりするんですね。
そうだね。でも、ヒステリシス幅は小さくても欲しいってケースがあるわけだよ。そういうケースの場合は解除電圧を自分で選びたいってなるわけ。そういう用途にはR3150シリーズやNJU7295シリーズは持ってこいってわけだよ。
なるほど。わかりました。
このタイプには遅延時間も設定できる製品もあるので設計者の思うままに使えるんだ。解除遅延時間だけでなく検出遅延時間も設定できるからね。さっきの2製品以外にもあるから気になったら下のリンクで確認してね。
あとね、自己診断機能を持っている製品があるんだ。
自分で正常動作しているかを確認するのですか？
まあ、そうだね。要は機能安全対応ということなんだけど、リセットIC自身が故障しているか否かを判断するのではないんだ。
ですよね。壊れていたら自分で診断できないです。
何をしているかというと、マニュアルリセット端子(下図ではTEST端子)にパルス信号を入力して、リセット信号出力端子から同じ信号が出力された正常、というようなテストができるんだよ。なので、常時チェックしているわけではないんだ。
パソコンとかにもあると思うんだけど、起動時にセルフチェックを行うって感じかな。動作中に変なパルス信号をリセット信号出力端子から出力したらマイコンが「？」ってなるからね。
図7: 自己診断機能
そうなんですね。リセットICが故障することもあるわけですから、故障を前提としたこういう機能安全対応って大事ですよね。
当然ですけど、二重設計とかのフェールセーフ設計と合わせて利用すべきってことですよね。
そのとおり。わかっているじゃないか。
はい。私だっていろいろ勉強していますから。
今の話に出てきたマニュアルリセットってわかるかな。
はい。検出している電圧に関わらず強制的にリセットを行うことができるんですよね。
そうそう。今は少なくなったけど昔の携帯機器には小さなリセット用の穴が開いていて、そこにクリップを伸ばして先を突っ込むとリセットできたんだよ。まあ、携帯機器がフリーズした時の緊急リセットなんだけどね。そういう場合に使うんだよ。
はい。そういえば、リセットタイマーICっていうのもありますよね。同じなんですか？
そうねえ。基本は同じだけど、リセットタイマーICの方が高機能だよ。キーコンビネーション・リセットに対応したりしているからね。
はい？
最近の携帯機器は防水になったりしているからリセット用のピンホールがないんだ。だから、強制リセットする場合は「2つのボタンを何秒以上同時に押す」なんてことになっているんだよ。そういうことに特化しているのがリセットタイマーICなんだ。
なるほどです。
ありがとうございました。
できれば質問した時だけ答えていただけるとよいのですけど……
まあ、そう言うなって。
ところで、ボルテージディテクタってどうやって動いているかわかるかな？
はい？(言ったそばから……)
ブロック図を見てみようか。
図9: CMOS出力のリセットIC ブロック図
中にオペアンプが入っているんですよね？何を増幅しているんですか？
それはコンパレータ(比較器)だよ。記号は同じなんだけどね。真ん中のマークはコンパレータにヒステリシスがあるってことを示しているんだよ。＋電源とー電源は省略されているね。コンパレータは＋入力とー入力を持っていて、＋入力の電圧がー入力の電圧より高ければVDD＝”H”信号を出力するんだよ。逆の場合はGND＝”L”信号を出力するわけさ。
はあ。
ブロック図を見ればわかると思うけど基本的なボルテージディテクタは電源端子電圧(VDD)と基準電圧源(Vref: Voltage Reference)の電圧を比較しているんだ。ボルテージディテクタは元々、電源(VDD)、グラウンド(GND)、出力(OUT)の3端子だったから電源端子とSENSE端子は兼用だったわけさ。
なるほど。だから、そうじゃない製品をSENSE端子分離型なんて呼ぶんですね。
たぶんね。
話を戻すと、基準電圧源はコンパレータの＋入力につながっていて、電源端子(兼SENSE端子)はー入力につながっているよね。つまり、基準電圧源の電圧よりも検出電圧(電源電圧)が低くなれば、GND電位の”L”が出力端子から出力されるんだよ。これがリセット信号だよね。
逆に基準電圧源の電圧よりも検出電圧が高い状態ならば、VDD電位の”H”が出力端子から出力されているってことですね。
そうだよ。厳密には基準電圧源＝検出電圧ではないんだけど。基本動作には関係ないから割愛するけどね。
ちなみに、このあいだ説明したリセット信号が”H”の製品はコンパレータの入力端子が逆になっているんだ。基準電圧源はコンパレータのー入力につながっていて、電源端子(兼SENSE端子)は＋入子につながっているんだよね。
図10: "H"リセット、NMOSオープンドレイン出力のリセットIC ブロック図
なるほど。簡単ですね。
ありがとうございました。これでホントに終わりですよね……
あとがき
我々の製品がお役立ちできるような紹介ブログの第１５回目です。
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