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3V Single Board Computerから5V RL78/G10にFlash Programmingする時に使える電源投入/切断順序不問のInterface回路は?

こんにちは。NoMaYです。

秋月電子さんで買える部品(100個とかの袋詰めより少し高くても個別売りの部品)で3V Single Board Computer(ラズパイとかBBBとか)から5V RL78/G10にフラッシュ書き込みする時に使えそうな電源投入/切断順序不問のレベル変換回路は、どのようなものが考えられそうでしょうか?

すみません。急ぐ話ではないです。別スレッド『UART通信のPCへの送信について』で先日投稿した内容と関係のある話なので、尋ねるなら今のタイミングが良いかな、と思ったからです。

なお、以前、秋月電子さんでTC7SZ125Fというワンゲートロジックの3ステートバッファ(入力:5.5Vトレラント,出力:5.5Vパワーダウンプロテクション)が販売されていた頃、以下のような回路を考えていたのですが、気がついたら販売終了(もしくは、ただ今お取り扱いできません、という状態)になっていました。

1回路3ステートバッファTC7SZ125F(TE85LF) (10個入) ⇒ 現在は販売されていない
akizukidenshi.com/catalog/g/gI-06481/



TC7SZ125F
toshiba.semicon-storage.com/info/docget.jsp?did=20048&prodName=TC7SZ125F


なお、以下は先ほどの別スレッド『UART通信のPCへの送信について』に先日投稿した画面コピーと同じものです。

TOSHIBA 汎用ロジックIC 総合カタログ
toshiba.semicon-storage.com/info/docget.jsp?did=7409



CQ出版社 トランジスタ技術 2006年6月号 特設記事 異電圧ロジックレベルの変換テクニック 見本ページ
toragi.cqpub.co.jp/Portals/0/backnumber/2006/06/p171-172.pdf


また、そこでKirinさんに教えて頂いた資料が以下の資料です。

Low Voltage 3-STATE Power-Up and Power-Down Circuitry - FAIRCHILD / ON Semiconductor
www.fairchildsemi.com.cn/an/AN/AN-5011.pdf

[追記]

なお、後日、こちらでも以下の日本語版を教えて頂きました。

低電圧3ステート電源回路 - FAIRCHILD / ON Semiconductor
www.fairchildsemi.co.jp/application-notes/AN/AN-5011.pdf
 

  • In reply to NoMaY:

    わわいです
    不明点の問い合わせ、それはとりもなおさずこちらの出したものをきちんと見て、理解しようということが見えます。
    不適切な回路である、というのも、思い込みや感情ではなく、根拠のある技術的な議論ができるのであれば、実りのあるものとなります。
    お問い合わせ、楽しみに待っています
  • In reply to わわい:

    わわいさん、こんにちは。NoMaYです。

    この「不適切な回路である」というのは、わわいさんの以下のリプライから、そう解釈した訳なのですよ。「真面目に考えて」みたら、MOSFETを使う回路に変更しなければならなかった、ということだったのかと、、、

    >で、よくみるとゲートにふつーのやつ(74HC125)を使う場合はリセット側の方にも電圧制限のダイオードが必要ですねー
    >で、この件、食いつきがいいようなので真面目に考えてみました。

  • In reply to NoMaY:

    一つの信号を5V電源と3.3V電源にそれぞれ10KΩの抵抗でプルアップして、それぞれの電源が独立してオンオフするのは好ましくないように思えます。
    5V電源が切れている時は3.3V電源から絶対最大定格を超える電圧が5VのRL78のTOOL0に印加されます。10KΩ程度の抵抗が入っていれば一発で壊れることはないと予想しますがESD保護ダイオードに300μA以上流れてしまい著しく寿命が短くなる可能性があります。ESD保護ダイオードは通常で電流が流れない想定で設計されてます。
    外付けでダイオードを使う場合は何でも良いわけではなくESD保護ダイオードがオンしない様にショットキーダイオードなどを選ばなければなりません。

    量産時に意外にダイオードは高価なので入力トレラント&パワーダウンプロテクションゲートやトランジスタアレーでオープンコレクタを使うのが安価な場合があります。
    適切な回路は部品調達や目的によって変わります。秋月調達が前提なので一時的な実験と予想され自己責任でESD保護ダイオードを積極的に使うのも許容されるとは感じます。

    (秋月から調達した部品で量産しているのをTVで見たことがあります。そのメーカの電気スタンドを購入したことがありますが、6ヶ月も立たずに屈曲部のACコードの外被が破けて断線、火事にならないだけマシです。量産用部品を秋葉原店頭買いは信じがたいことです。)

  • In reply to NoMaY:

    わわいさん、こんにちは。NoMaYです。

    なぜMOSFETを使う回路に変更されたのか考える為に、試しにリセット側に電圧制限のダイオードを付けて、電位とか計算してみました。計算してみて(というか後から考えてみれば計算する前に分った筈ですが)、話はRxD/TxD側と何も変わらないことに気付きました。なぜMOSFETを使う回路に変更されたのでしょうか?



    (1) RES = Hの場合

    1SS205が無ければ:

    電流 = (5V - 3.3V) / (10KΩ + 1KΩ + 10KΩ) ≒ 81μA
    R点の電位 = 3.3V + 81μA × 10KΩ ≒ 3.3V + 0.8V = 4.1V
    RESETの電位 = 4.1V + 81μA × 1KΩ ≒ 4.1V + 0.1V = 4.2V

    1SS205を考慮すれば:

    秋月電子さんのネット通販サイトの商品ページの記載によるとVf = 0.8V@1mA, 1V@30mAとのこと
    1SS205のデータシートがなく1mA以下の領域でのVfが不明だけれども仮に0.6Vと仮定してみる
    上で計算したR点の10KΩの両端の電圧は0.8Vだったので本仮定ではR点の10KΩは無視出来る(と思う)

    電流 = (5V - 3.3V - 0.6V) / (1KΩ + 10KΩ) = 100μA
    R点の電位 = 3.3V + 0.6V = 3.9V
    RESETの電位 = 3.9V + 100μA × 1KΩ ≒ 3.9V + 0.1V = 4.0V

    (2) RES = Lの場合

    R点の電位0V
    電流 = 5V / (1KΩ + 10KΩ) ≒ 450μA
    RESETの電位 = 0V + 450μA × 1KΩ ≒ 0V + 0.5V = 0.5V

    計算はあっているだろうか、、、

  • In reply to NoMaY:

    わわいです
    >なぜMOSFETを使う回路に変更されたのでしょうか?
    まず、このインターフェース回路というのは、あくまで「書き込み用アダプタ」なわけで、実際の運用時には、RL78のターゲット側に書き込み端子として3P(あるいはその他も含めた)のコネクタを設置し、フラッシュ書き込み時だけ、そこにアダプタを繋いで書き込みを行い、通常動作させるときにはコネクタを外して動作させるという運用となります
    まあ、JTAGのエミュレータアダプタと同じような使い方ってことですねー
    #というか、この場合はE1とかE2の接続コネクタにつなげるような運用になりますな

    で、最初のゲートを使い信号ラインに抵抗をかます、という回路ですが、こいつはあくまで提示されている回路で、電源投入順序で不具合を起こさないように対応した、という回路となります
    これでもきちんと動作はします。が、これだといろいろ制限事項があります
    信号ラインに1Kの抵抗を入れているため、RL78のターゲット側でのプルアップ抵抗が例えば1Kなどの低い抵抗であると、このままでは動きません。
    まー、ターゲットもこちらの設計であれば、プルアップを10K程度と選定はできますが、たとえば他のメーカのボードにつなぐときなど、こいつで書き込みできるか?を考えると回路図を確認しないといけないということになりますね

    ということで、「書き込みアダプタ」としては、ターゲットがどういう設計であろうとも、繋げば動くことを期待したいわけです
    ということで、MOSFETを使った回路となるわけですねー

    といっても、出した回路が完璧というわけでもありません。書き込みアダプタとして一般に販売しようとするなら、考慮すべきところがまだまだ色々残ってます
  • In reply to kijo:

    Kijoさん
    設計と試作はうちでやって、量産からお客さんの工場で部品調達は秋月なんてのもありますよ。
    設計時に秋月で買えるものを選定してます(秋月でしか売ってない部品もあったりしますけど)。
    製品価格は50万円くらいに対して基板単価は1万円程度とかですかね。

    案外身近に秋月を便利に使っているところもあるみたいですよ。
  • In reply to わわい:

    そろそろファイナルアンサーだしちゃっていいですか?

    FTDIのFT232Rとかは信号レベルを反転できるので、負論理設定にするとFETを節約できるので、反転を前提にFETでレベルシフタ作ってみました。FETは秋月から購入可能なルネサス製です。

    チョコさんが心配していた電源の立ち上げ順にかかわらずRESETをLOWにしているので、リセットマスクしているチップにも対応可能です。(5VのみONで3VがOFFの場合一番下のFET回路でRESETをLOWに固定します)

    抵抗は部品種類を減らすため1KΩで統一してますけど、消費電流との兼ね合いでTOOL0以外の部分は4.7Kとか大きめにしても大丈夫です。

    あと各FETのゲート入力のところに10~100Ωくらいの直列抵抗入れておかないと発振しちゃうかな、、、

  • Kirinさん、kijoさん、こんにちは。NoMaYです。

    アドバイス有難う御座います。Kirinさんとkijoさんのコメントを基に、わわいさんの回路との主たる部分での差分を抽出してみました。

    Kirinさんの回路

    Kirinさんコメント:
    FTDIのFT232Rとかは信号レベルを反転できるので、負論理設定にするとFETを節約できるので、反転を前提にFETでレベルシフタ作ってみました。FETは秋月から購入可能なルネサス製です。

    わわいさんの回路

    kijoさんコメント:
    一つの信号を5V電源と3.3V電源にそれぞれ10KΩの抵抗でプルアップして、それぞれの電源が独立してオンオフするのは好ましくないように思えます。
    5V電源が切れている時は3.3V電源から絶対最大定格を超える電圧が5VのRL78のTOOL0に印加されます。10KΩ程度の抵抗が入っていれば一発で壊れることはないと予想しますがESD保護ダイオードに300μA以上流れてしまい著しく寿命が短くなる可能性があります。ESD保護ダイオードは通常で電流が流れない想定で設計されてます。
    わわいさんコメント:
    といっても、出した回路が完璧というわけでもありません。書き込みアダプタとして一般に販売しようとするなら、考慮すべきところがまだまだ色々残ってます

    Kirinさんの回路とわわいさんの回路の主たる部分での差分(青枠がKirinさんの回路に相当)


    また、Kirinさんの回路で使用されていたMOSFETの2SK4150の実際の商品ページを秋月電子さんのネット通販サイトで探してみました。そこには2SK4150のデータシートがありましたので、ポイントとなりそうな箇所を私なりに考えてみて、画面コピーに赤枠を付けてみました。

    2SK4150商品ページ
    akizukidenshi.com/catalog/g/gI-09027/


    2SK4150データシート
    akizukidenshi.com/download/ds/renesas/2sk4150tz.pdf




    [関連リンク]

    MOSFET - ウィキペディア
    ja.wikipedia.org/../MOSFET

    FETの選び方・使い方ガイド - marutsu
    www.marutsu.co.jp/.../fet_1-1#top

    MOS FETによるスイッチングの基礎編 - marutsu
    www.marutsu.co.jp/.../fet_3#mos-fet3

    [余談]

    このスレッドでマルツさんのネット通販サイトへのリンクを貼るのは少々気が引けましたが、とても理解に役立ちましたので、、、

  • こんにちは。NoMaYです。

    別スレッドでFT2232を使用した自作オンチップデバッグエミュレータの回路図を見ていた時、ターゲット基板が3V系でも5V系でもOKなレベル変換回路が単純な74VHC125の回路になっていることに気付きました。そこで、それを参考に、FT232RLとRL78/G10やG13が別電源(例えばPCからのVBUS供給とACアダプタからのDC供給といったように別々)である場合に、片方の電源の切り忘れや入れ忘れをしていても大丈夫な回路を考え直してみました。また、74VHC125は秋月電子さんで買える部品ではありませんので、その考え直した回路を秋月電子さんで買える部品の組み合わせに置き換えたものも考えてみました。(なお、ロジックICに限定しました。)

    ターゲット基板が3V系でも5V系でもOKなUSB接続型JTAGデバッガの回路(抜粋)
    ARM汎用プロセッサで使える汎用JTAGデバッガを自作する - 山崎尊永, CQ出版社 Design Wave Magazine 2008 June


    この回路が3V系でも5V系でもOKなのは、恐らく、以下の画面コピーの通り、FT2232DのDC特性で入力の閾値電圧が1.2V付近になっている特殊性によるものだと思います。(VCCIO=5Vでも入力=3Vは充分にHighとして認識される。ちなみに、この回路では利用されていませんが、絶対最大定格が入力=VCC+0.5Vになっていて、VCCIOに対しての規定ではなく、VCCに対しての規定である、という特殊性も持ち合わせているようです。)

    www.ftdichip.com/Support/Documents/DataSheets/ICs/DS_FT2232D.pdf



    また、FT232RLでも、このスレッドの発端になった別スレッド『UART通信のPCへの送信について』でも投稿したように、入力の閾値電圧が1.2V付近になっています。

    www.ftdichip.com/Support/Documents/DataSheets/ICs/DS_FT232R.pdf



    ですので、FT232RL(やFT2232D)であれば、以下のように単純な74VHC125の回路で、3V系でも5V系でもOKなUSBシリアル変換アダプタを作ることが出来るということでした。(なお、1のゲート(と10KΩの抵抗)は単にICの種類を減らす為にインバータの代わりにしただけです。また、27Ωの保護抵抗は先程の回路を真似ました。)

    ターゲット基板が3V系でも5V系でもOKなUSBシリアル変換アダプタの回路
      

    そして、この回路を基に以下のような、3V系でも5V系でもOKなUSB-単線UART変換アダプタ(RL78マイコン内蔵フラッシュメモリ書き換え用)を考えてみました。

    ターゲット基板が3V系でも5V系でもOKなUSB-単線UART変換アダプタ(RL78マイコン内蔵フラッシュメモリ書き換え用)の回路1
    TC74VHC125Fを使用(秋月電子さんでは買えないがマルツさんでは買える)


    ターゲット基板が3V系でも5V系でもOKなUSB-単線UART変換アダプタ(RL78マイコン内蔵フラッシュメモリ書き換え用)の回路2
    TC74VHC32FSN74HC125Nを使用(ともに秋月電子さんで買える)


    このスレッドで以前に考えていた以下の回路よりも今回考えた回路はICの種類が減りました。(ただ、今回のTC74VHC32FはSOPですので、これまでに書いたようにPCA9306モジュールFXMA2102モジュールを選択肢として検討する方が良さそうに思います。これらのモジュールはDIP 8pinサイズになっているからです。)


     

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