アイデアをカタチにする GreenPAK
複数の部品で構成している回路を小型化したい。入力信号の検出やタイミング制御を、用途に合わせて柔軟に設計したい。こうした課題に対応するのが、アナログとデジタルの機能を1チップに集約できるプログラマブルIC「GreenPAK」です。
GreenPAKは、専用の開発ツール上で必要な機能ブロックを選び、組み合わせて回路を設計できます。本記事では、GreenPAKの概要から、GUIを使った回路設計と動作確認、用途に応じた製品ラインナップまでを紹介します。
1．必要な機能を組み合わせ、オリジナルの回路を1チップに
GreenPAKは、アナログとデジタルを混載したプログラマブルICです。内蔵された素子を組み合わせることで、目的に合ったオリジナルの機能を実装できます。搭載される素子は製品によって異なります。
例えば、アナログコンパレータを使えば、温度センサ出力のしきい値判定や電源電圧低下の検出が可能です。ボタン入力についても、単純なON／OFFに加え、複数ボタンの組み合わせや同時押し、順序判定、チャタリング除去などの条件を設計できます。
さらに、LUTによるロジック処理、Dフリップフロップによる状態保持、カウンタ／ディレイによる時間制御、PWMによる出力制御を組み合わせることで、「どの条件で」「どのタイミングで」「どのように動作させるか」を1チップ内で構成できます。
機能を集約することは、部品点数や基板実装面積の削減、配線の簡素化につながります。省電力化に加え、検証・評価・設計・実装にかかる工数の削減も期待できます。また、ハードウェアロジックによるリアルタイム処理や、回路情報の読み出しを禁止する設計保護機能も特長です。
2．コーディング不要。GUIで設計し、その場で動作を確認
GreenPAKの回路設計には、専用ソフトウェア「Go Configure Software Hub」を使用します。コーディングは不要で、GUI上で必要な素子を配置し、マウスで配線して回路を作成できます。ソフトウェアは無料で導入できます。
設計は、使用する製品を選び、新しいデザインファイルを開くところから始めます。続いて「Project Settings」で動作電圧範囲や温度範囲を設定します。この条件が未設定の場合、シミュレーションを実行できないため、回路作成前に設定しておきます。
設計画面では、主に次の2つを使い分けます。
Components：選択したデバイスに内蔵されている素子を配置します。
Schematic Library：シミュレーションに必要な電源や抵抗など、外部の素子を配置します。ここで配置した外部素子は、GreenPAK内部に搭載されるものではありません。
回路を作成したら、確認したい箇所にプローブを配置し、シミュレーションを実行します。入力信号に対して想定した出力が得られているかを波形で確認し、必要に応じて設定を修正できます。専用の開発ボードと組み合わせれば、実機での評価にも進めます。
3．コンパレータとディレイで、信号の検出からノイズ除去まで
最初の例は、アナログコンパレータを使った電圧の検出です。アナログコンパレータは2つの電圧を比較し、その大小関係をデジタル信号として出力します。
今回使用するデバイスは「SLG46827-AG」です。ComponentsからコンパレータとPower On Resetを選択し、必要な配線を行います。コンパレータの設定画面では、しきい値やヒステリシスなどを設定できます。
この例では、しきい値を800mVに設定しています。シミュレーション結果では、入力電圧が790mVのときはLow、817mVのときはHighとなっており、入力電圧に応じた出力の変化を確認できます。
一方、入力信号に短いノイズが含まれると、コンパレータがその変化を検出し、意図しない出力を生じることがあります。そこで追加するのが、カウンタ／ディレイの機能です。
ディレイは、対象とする入力の変化が設定時間以上続いた場合に、出力を変化させるために利用できます。この性質を使うことで、短時間のノイズやチャタリングの除去が可能です。
GUIでは、ディレイ期間を決める「Counter data」、立ち上がり・立ち下がり・両方から対象を選ぶ「Edge mode select」、クロック源を選ぶ「Clock source」などを設定します。ディレイ時間は、カウンタ値とクロック周波数によって決まります。
今回のノイズ除去の例では、コンパレータの後段にディレイを接続し、立ち下がりに対するディレイを設定します。コンパレータだけの出力は、ノイズによって一瞬Lowになりますが、ディレイを追加した出力は、その短い変化を除去してHighを維持します。
このように、検出と時間制御のブロックを組み合わせることで、ノイズへの対処までハードウェアで構成できます。
4．オペアンプの増幅率もGUIで設定
信号の増幅には、オペアンプを内蔵した「SLG47004」を使用します。ここでは、入力信号を反転させずに増幅する非反転増幅回路を構成します。
増幅率を決めるのは、デジタル可変抵抗「Digital Rheostat」です。GUI上でResistanceの値を変更することで、オペアンプのゲインを調整できます。抵抗器を再実装することなく、内部設定で増幅率を変更できる点が特長です。
必要な素子を配置・配線し、使用するPINを「Analog input/output」に設定します。今回の例では約5倍の増幅となるように設定し、10Hz、振幅100mVのサイン波を入力してシミュレーションを行います。
入力と出力の波形を比較すると、出力が約5倍に増幅されていることを確認できます。GUIで回路を構成し、設定したゲインに応じた動作を波形で確かめるまでを、同じ開発環境で進められます。
5．論理回路は、開発ボードのLEDで動作を確認
デジタル回路の例として、LUTを使ったAND回路とOR回路を構成します。ANDは両方の入力が1のとき、ORは少なくとも一方の入力が1のときに、出力が1になる回路です。
Componentsから2つのLUTを配置し、それぞれをANDとORに設定します。入力側のPINは「Digital input」、出力側のPINは「Digital output」に設定して接続します。
今回は、開発ボードを使ってエミュレーションを行います。PCと開発ボードを接続し、Debug画面で開発ボードを使うプラットフォームを選択します。続いて、入力側をButton、出力側をLEDに割り当て、エミュレーションを開始します。
片方の入力だけをONにするとOR側のLEDが点灯し、両方の入力をONにするとAND側とOR側の両方が点灯します。GUIで作成した論理回路と開発ボードの動作を対応させながら、入力条件と出力の関係を確認できます。
6．用途に合わせて選べる製品ラインナップ
GreenPAKシリーズには、基本的なロジック処理を担う製品から、電源制御、アナログ処理、モータ駆動に対応する製品まで、幅広いラインナップがあります。実現したい機能に合わせて、搭載素子や回路規模を選ぶことが重要です。
小型回路の集積化に適したベーシックなGreenPAK
小型の「SLG46108」は、パッケージサイズが1.0×1.2mmです。この中に6つのGPIOに加え、LUT、Dフリップフロップ、カウンタ／ディレイ、オシレータなどを搭載しています。
簡単なシーケンス制御や入力信号の周波数検出、矩形波の生成など、基本的なロジック処理・信号処理を1チップで実現できます。
また、異なる電圧を扱う2電源対応の「Dual Supply GreenPAK」もあります。異なる電圧レベルで動作する回路間のレベル変換に活用でき、部品点数や基板スペースの削減につながります。
電源管理とシーケンス制御をまとめるPower GreenPAK
Power GreenPAKは、GreenPAKの基本機能にLDOやロードスイッチなどのパワー素子を統合した製品群です。
資料で紹介している「SLG46580／SLG46582／SLG46583」には、150mA×4系統、300mA×2系統、600mA×1系統というLDO構成があり、用途に応じて選択できます。コンパレータやステートマシン、LUT、カウンタ／ディレイなども組み合わせられます。
デザイン例では、GUIのドロップダウンリストから各LDOの出力電圧を設定し、カウンタ／ディレイで電源のON／OFFを制御するシーケンス回路を構成しています。電源管理と電源制御を1チップにまとめられることが特長です。
アナログ信号の取得・処理・出力に対応するAnalogPAK
AnalogPAKは、オペアンプ、可変抵抗器、アナログスイッチ、リファレンス電圧、アナログコンパレータなどの機能を統合した製品群です。複数の部品で構成していたアナログ回路の集積化に活用できます。
中でも「SLG47011」は、ADCとDAC、Memory Table、PWM、四則演算が可能なMathCoreなどを内蔵しています。信号の変換だけでなく、データ処理を含む回路を構成できます。
資料のデザイン例では、入力されたアナログ信号をADCでデジタルデータに変換し、データバッファに格納します。このデータは、I²C通信を介してマイコンから読み取ることができます。ロジックブロックを組み合わせてADCの動作を制御することもでき、信号取得から制御、外部通信までをまとめられます。
モータ駆動と監視機能を集約するHVPAK
HVPAKは、高電圧機能を備え、DCモータ、ステッピングモータ、ソレノイドなどの駆動に対応する製品群です。PWM制御、高電圧出力ドライバ、コンパレータ、保護機能などを組み合わせて、駆動回路と制御回路を集約できます。
紹介例の「SLG47105」は、最大13.2Vの高電圧出力に対応し、フルブリッジやハーフブリッジを構成できます。また、PWMによる速度制御や、電流センス・コンパレータを使った電流監視、過電流保護も実現できます。
構成例では、ブラシ付きDCモータの双方向制御に加え、LED表示、ユーザボタン入力、バッテリ監視に必要な機能をまとめています。モータを動かす機能と、その操作・状態監視を1チップ内に統合できる点が特長です。
7．設計と評価を繰り返し、アイデアを具体的な回路へ
GreenPAKの開発では、まず実現したい仕様を整理し、必要な素子を搭載したベースとなるチップを選びます。その後、回路を設計し、シミュレーションや実機評価で動作を確認しながら、デザインを確定していきます。ベースとなるチップの選定については、FAEによるサポートも受けられます。
今回紹介したように、コンパレータによる検出、ディレイによるノイズ除去、オペアンプによる増幅、LUTによる論理処理を、GUI上で設計・確認できます。さらに、用途に応じた製品を選べば、電源制御やアナログ信号処理、モータ制御へと活用範囲を広げられます。
必要な機能を組み合わせ、動作を確かめながら回路を作る。その開発を支えるのがGreenPAKです。部品点数や実装面積の削減、開発効率の向上に向けて、実際のデザインファイルや評価環境を活用しながら検討してみてはいかがでしょうか。
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