ESP-WROOM-32 (ESP32) の 電流 測定 その２

ESP-WROOM-32 ローサイド ( GND側 ) 電流測定

今まではハイサイド( High-Side )電流検知測定でした。
ハイサイド電流測定は、電圧ドロップ（電圧降下）も見ることが出来るという長所がありますが、さまざまなノイズが乗ることが欠点です。

ローサイド( Low-Side )電流測定はESP-WROOM-32 だけが消費した純粋な電流を測定するのに向いています。
しかも、電流測定抵抗（シャント抵抗）の片側がGND接続されているので、プローブ1本で済みます。
ただし、これの欠点はGND側に電流検出抵抗(シャント抵抗)を接続するためにESP-WROOM-32のGNDが浮いてしまうことです。

macsbugさんから紹介された National Instruments の電流測定注意点のサイトを参照してみてください。

電流測定の理論と実測

そして、この他にハイサイド検出とローサイド検出の長所短所が書かれた、RSオンラインの以下のサイトもとても参照してみてください。

シャント抵抗器(SMD)編

ということで、私はいままでローサイド測定を知らなかったので、macsbugさんのおかげでとても勉強になりました。
重ねてありがとうございます。
m(_ _)m

では、まずはESP-WROOM-32の電源投入からリセット動作までの大まかな波形はこうなりました。

いかがでしょうか。
Ch1プローブ１本だけで電流検出抵抗（シャント抵抗）の電位差が測れて、とてもシンプルです。
ただ、やはり、ローサイド測定の欠点でしょうか？
ESP-WROOM-32のGNDが浮いてしまっていることによるものと思われる、0V以下の降下が起きてしまっています。
この原因は、今は正直分かりません。
ですが、波形全体はハイサイド測定よりも驚くほどキレイです。
ただ、オシロスコープの電圧レンジをかなり小さくしないと、トリガーがかからないので、オシロスコープの性能や、GND電位の安定に影響されやすいですね。

突入電流はこの波形では無くなったように見えますが、拡大すると、やっぱりありました。
ACアダプターに接続した場合の電源投入突入電圧は、拡大するとこうなります。

やはり、ローサイド電流測定の欠点でしょうか、電圧がマイナス側へ振れてしまいますね。

ノートパソコンのUSB2.0ポートへ挿し込んだ場合の突入電流はこうなります。

あれ？？

想像していたことと全く違う結果になってしまいました。
この結果には大いに疑問です。

突入電流はコンデンサに電荷を貯める電流で、ESP-WROOM-32直近のローサイド測定を行えば、USBポートに左右されず、同じ電流値を示すものと想像していたんです。
なぜ、USBポートを変えると3.3V側ローサイド電流測定で突入電流が変わるんですかね・・・？？？
LDOのGND電流も合算されないように回路を分離していたつもりですが・・・。

何が何だか分からなくなってしまいました。
私の考え方が間違えているんでしょうか？？

いずれにしても、接続する電源やUSBポートによって、ESP-WROOM-32が吸い込む突入電流が変わるということにしておきます。
これはまた今後の課題とします。

気を取り直して先に進みます。

この電流値を見る限りでは、ハイサイド電流測定よりは大幅に電流値が減っていますので、外付けコンデンサ充電電流は排除されていると思われます。

では、リセット電圧波形を見てみます。

どうですか！！！
驚くほどキレイなリセット電圧波形が得られました。
上記のハイサイド測定と比べてみて下さい。
スパイクノイズが殆ど無く、波形がクッキリ現れています。
スバラシイですね。
この形はそのまま電流波形と同じ形になります。

ただ、GND電位がマイナスになってしまっているため、電流値については若干怪しいのですが、やはりESP-WROOM-32のリセット電流は約600mAと言えるのではないかと思います。
ということは、やはりUSB2.0 ポートは使うべからずということですね。

では、Wi-Fi通信待機時のパルス波形はこうなりました。

前回の記事では、ハイサイド測定で、スパイクノイズを含めた電流値が約600mAということでしたが、このキレイな波形では約400mA でしたね。
これはWi-Fiコネクション時でも、LEDのスマホON-OFF時でも、このパルス電流の最大値は変わりありませんでした。
ローサイド測定でないと、ここまで純粋なパルスは得られませんでした。

以上から、ESP-WROOM-32 ( ESP32 )の動作中については、リセット電流だけ要注意して、600mAを基準に設計すれば良いと思われます。
ただ、リセットボタンを押さないでも、動作時は所々リセットパルスっぽいものが出ているようなので要注意です。

電流制限抵抗やDC-DCコンバータを使って実験中

さて、ESP-WROOM-32 の電流値は概ね分かったので、後は突入電流抑制だけクリアできれば私的には満足です。

今、DC-DCコンバータを使って試していますが、ある製品は、3.3Vラインの突入電流が見事に抑えられたのですが、5Vラインは全くダメでした。
途中経過で詳細な解説は出来ないのですが、RECOMのR-78 3.3-1.0 というスイッチングDC-DCコンバータを試したところ、5VラインでUSB3.0ポートを使用した場合の突入電流はこうなってます。

5Vラインの突入電流はやはり3A越えのようですが、山が１つにまとまっていました。

3.3Vラインのローサイド測定はこんな感じです。

突入電流の最大値は326mAに抑えられていました。
スイッチング電源っぽい階段状立ち上がり波形が見られますね。
ソフトスタートみたいな感じでしょうか。
3.3Vラインは文句のつけようがありませんが、やはり5Vラインが難点ですね。

そして、このDC-DCコンバータの最少入力電圧が4.75Vなのも難点です。
USBケーブルによって電圧降下が起きてしまった場合、4.75Vを下回ることが大いに考えられます。

また、ねむいさん推奨のLDO LT1963A も試している最中です。
保護機能付きというのはとても良いですね。

今、突入電流で最も有力な候補はLDO ADP3338を使って、5Vラインに電流制限抵抗を入れることのような気がしています。
突入電流が半分に抑えられて良い感じですが、電圧降下が大きいので、ADP3338の入力電圧を下回らないような調整が必要です。
抵抗値によっては、5Vラインが3V近くまで降下してしまいます。

抵抗を入れることは、長いUSBケーブルを使うこととあまり変わり無いので、あまり使いたくない方法ですが、一番簡単かも・・・。

その他の方法として、電流制限スイッチも試している最中です。
サーミスタは温度に影響を受けるので、あまり現実的ではないと思っています。

この報告は次回以降に記事にしたいと思っています。

まとめ

以上、macsbugさんやねむいさんに教えてもらったことを受けて、電流値測定の精度の上げ方を教わりました。
ハイサイド測定とローサイド測定ではそれぞれ長所と短所があり、目的によって使い分けるということを学びました。

今回の実験で学習したことをまとめると、

●USBケーブルは質が良く、短い太いケーブルを使うべし
●USBポートによって、突入電流値が異なる
●5Vラインの突入電流はUSBポートによっては3A越える場合がある。
●ESP-WROOM-32 のリセット電流は約600mA
●ESP-WROOM-32 のWi-Fi動作時のパルス電流は約400mA
●ESP-WROOM-32 の電源ラインはGNDも含め、できるだけ太く、最短距離にすべし。
●電流測定はハイサイド検出とローサイド検出があり、それぞれ一長一短がある。
●ブレッドボード上では正確性や信頼性は無いことを念頭おいて使う。

という感じでしょうか。

私みたいに別の仕事を抱えていて、基板を作り込む時間が無いアマチュア電子工作家は、ブレッドボード上の実験が多いと思います。
今回で実際に肌で感じたのは、ブレッドボード上でこの怪物マイコンを正常に動作させることは並大抵ではないということでした。
市販製品やスマホ内ではもっと遙かに怪物なマイコンが使われていると思うと、電子機器開発の歴史や、プロの技術者の凄さに圧倒されてしまいました。
先人達の確立した技術に敬意を表さずにいられませんね。

ということで、そろそろプログラミングに移りたいのですが、まだDC-DCコンバータの実験を終わっていないので、ひたすら電流測定を続けていきます。

ではまた・・・。