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MicroCat.1の3V3(OUT)の負荷が大きいとモデム起動時に停止する原因と対処法

MicroCat.1の3V3(OUT)の負荷が大きいとモデム起動時に停止する原因と対処法

MicroCat.1 の3V3(OUT)から外部回路へ電源を供給するときの出力電流は最大50mAです。
今回は、外部回路に50mAを超える負荷を繋ぎたい場合のワークアラウンドをご紹介します。

MicroCat.1の仕様はこちらから確認ください。

MicroCat.1をUSB給電した状態で、3V3(OUT)に50mAを超える負荷をつなぎ、SIM7672を起動すると、ボードが停止する場合があります。

対処法

VSYS に 4.0~5.5V を入力することで本事象を回避できます。

MicroCat.1の電源構成

MicroCat.1では、VSYSに入力された+5Vから、2つのDC/DCコンバータで+4Vと+3.3Vを生成しています。

+4V系と+3.3V系は、どちらも同じVSYSから電源を取っているため、3V3(OUT)に外部回路をつなぐと、その分VSYS側の負荷も増えます。

SIM7672の起動時には、+4V系に瞬間的に大きな電流が流れます。このとき3V3(OUT)に50mAを超える負荷がつながっていると、両系の電流によりVSYSの電圧が大きく低下し、MicroCat.1がリセットされることがあります。

なお、VSYS 入力時の回路の保護についてはなお、USB給電(VBUS)とVSYSの間をショットキーダイオードで分離しています。
VSYS 入力時の回路の保護についてはRaspberry Pi Pico 2 Datasheetの5.5. Powering Pico 2 を参照してください。

検証

MicroCat.1の3V3(OUT)に抵抗を直列させた状態で、USB給電時、安定化電源からVSYSに給電時でそれぞれ下記スクリプトを実行し、モデムを起動させ一定時間Soracom Harvest DataへPostさせます。

検証スクリプト
import microcat1
import urequests
import ujson
import utime

APN = "soracom.io"
USER = "sora"
PASSWORD = "sora"
URL = "http://harvest.soracom.io"

LOAD_OHM = 30            # 3V3(OUT)-GND間の負荷抵抗
TEST_SEC = 60            # 疎通確認の時間
POST_INTERVAL_MS = 5000  # POST間隔
MODEM_WARMUP_SEC = 20    # m.active(True) 後の待機時間
IP_WAIT_SEC = 60         # IP取得の待ち時間

LOG_FILE = "result.log"


def has_ip(m):
    try:
        ip = m.ifconfig()[0]
        return ip not in (None, "", "0.0.0.0")
    except Exception:
        return False


load_ma = 3.3 / LOAD_OHM * 1000
ok = 0
ng = 0
error = None
m = None

try:
    # モデム起動
    print("Modem activating...")
    m = microcat1.modem(debug=False)
    m.active(True)
    print("Modem active, warm-up {} sec".format(MODEM_WARMUP_SEC))
    utime.sleep(MODEM_WARMUP_SEC)

    # PPP接続
    print("PPP connecting...")
    m.connect(apn=APN, user=USER, key=PASSWORD, pdp="IP")
    for _ in range(IP_WAIT_SEC):
        if has_ip(m):
            break
        utime.sleep(1)
    else:
        raise RuntimeError("no IP address")

    # 疎通確認(約1分間HTTP POST)
    print("PPP connected, HTTP POST test {} sec".format(TEST_SEC))
    start = utime.ticks_ms()
    seq = 0
    while utime.ticks_diff(utime.ticks_ms(), start) < TEST_SEC * 1000:
        seq += 1
        data = ujson.dumps({"load_ohm": LOAD_OHM, "seq": seq})
        try:
            r = urequests.post(URL, data=data,
                               headers={"Content-Type": "application/json"})
            if r.status_code == 201:
                ok += 1
            else:
                ng += 1
            r.close()
        except Exception as e:
            error = e
            break
        utime.sleep_ms(POST_INTERVAL_MS)

except Exception as e:
    error = e

finally:
    if m is not None:
        try:
            m.disconnect()
        except Exception:
            pass
        try:
            m.active(False)
        except Exception:
            pass


if error is None and ng == 0 and ok > 0:
    judge = "PASS"
else:
    judge = "NETWORK FAIL"

print("=== RESULT ===")
print("load resistor : {} ohm ({:.1f} mA est.)".format(LOAD_OHM, load_ma))
print("HTTP success  : {}/{}".format(ok, ok + ng))
print("error         : {}".format(error))
print("TEST RESULT   : {}".format(judge))


結果が以下になります。

負荷抵抗 3.3V側の電流 USB給電 VSYS+5V給電
100Ω 約33mA スクリプト成功 スクリプト成功
60Ω 約55mA スクリプト成功 スクリプト成功
50Ω 約66mA スクリプト停止 スクリプト成功
40Ω 約82mA スクリプト停止 スクリプト成功
30Ω 約110mA スクリプト停止 スクリプト成功
20Ω 約165mA スクリプト停止 スクリプト成功
10Ω 約330mA スクリプト停止 スクリプト成功

負荷抵抗ごとの試験結果。3.3V側の電流は、3.3V÷負荷抵抗値で求めた推定値で、ケーブルなどの抵抗は考慮していません。結果は、USBの給電元やケーブルなどの使用環境によって変わる場合があります。

失敗する場合には、SIM7672を起動処理後、MicroCat.1がリセットしました。

このときのVSYSをオシロスコープで確認すると、5V付近から2.5V付近までドロップしていることがわかります。



一方、VSYSに+5Vを供給した場合は、モデムの起動後もスクリプトが最後まで実行され、以下のように表示されます(30Ω時)。

このときのVSYSをオシロスコープで確認すると、大きなドロップは発生していませんでした。

まとめ

USB給電時、MicroCat.1の3V3(OUT)から外部回路へ供給できる電流は、50mAまでです。USB給電の状態で50mAを超える負荷をつなぐと、SIM7672の起動時にVSYSの電圧が低下し、ボードが停止する場合があります。

50mAを超える外部回路を使う場合は、USB給電ではなく、VSYSに4.0~5.5V を入力してください。今回の検証では、この方法で300mA程度の負荷をつないだ状態でも、SIM7672の起動と通信に問題がないことを確認しました。

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