図1に示すデバイスの組合わせは、最大1.1 Aの負荷電流を制御可能な超低消費電力、3軸、モーション起動パワー・スイッチのソリューションを提供します。この回路は、長いバッテリ寿命が求められるアプリケーションに最適です。スイッチがオフのときバッテリからの電流は300 nA未満です。スイッチがオンのとき消費電流は3 μA未満です。この回路はワイヤレス・センサー、計測機器、在宅ヘルスケアなどの携帯型アプリケーションに適した、業界先端の低消費電力モーション検出ソリューションを実現します。
3軸加速度センサーは3軸で加速度を検出してハイサイド・スイッチを制御し、動きの有無に従ってスイッチを開閉します。
ADXL362は超低消費電力の3軸加速度センサーで、ウェークアップ・モードで消費する電流は100 nA未満です。パワー・デューティ・サイクリングを用いて低消費電力を実現する加速度センサーとは異なり、ADXL362はアンダーサンプリングによって入力信号をエイリアス（折り返し）せず、すべてのデータレートで連続的にサンプリングします。精度が±0.5°の12ビット温度センサーも内蔵しています。
ADXL362は出力分解能が12ビットで、動作範囲が±2 g、±4 g、±8 gの3つです。仕様は−40°C～+85°Cの最小温度範囲で規定されています。480 μg/√Hz未満のノイズ・レベルが必要なアプリケーションでは、電源電流の増加を最小限に抑えつつ、2つの低ノイズ・モード（120 μg/√Hzまで減少可）のどちらかを選択することができます。
ADP195 は1.1 V～3.6 Vで動作するように設計されているハイサイド負荷スイッチで、出力から入力への逆電流に対して保護されています。このデバイスは1.1 Aを超える連続負荷電流をサポートするオン抵抗の低いPチャンネルMOSFETを内蔵しており、電力損失を小さく抑えます。
図 1．超低消費電力スタンドアロン・モーション・スイッチ（簡略回路図：全接続の一部およびデカップリングは省略されています）
ADXL362は超低消費電力の3軸加速度計測システムで、動作や衝撃によって生じる動的加速度と静的加速度（つまり重力）を測定することができます。
センサーの可動部分は表面をマイクロ加工したポリシリコンの構造体で、ビームとも呼ばれ、シリコン・ウェハー上に構成されます。ポリシリコンのスプリングがこの構造体をウェハー表面上に支え、加速力に対する抵抗を生じます。
構造体の変位は差動コンデンサを使って測定します。各コンデンサは、独立した固定プレートと可動部に取り付けられたプレートで構成されています。
加速度によりビームにずれが生じ、差動コンデンサが不平衡になり、センサー出力の振幅が加速度に比例します。位相検波によって加速度の大きさと極性が決定されます。
動作モード
ADXL362にはスタンバイ、測定、ウェークアップの3つの基本動作モードがあります。
- ADXL362をスタンバイ・モードにすると、測定が中断され、消費電流を10 nAまで下げます。処理途中のデータや割込みは保持されますが、新しい情報は処理されません。ADXL362はスタンバイ・モードではパワーアップしていますが、全てのセンサー機能はオフしています。
- 測定モードはADXL362の通常の動作モードです。このモードでは加速度データを連続的に読み取ることがでます。き2.0 V電源を使用した際の加速度センサーの消費電流は、最高400 Hzの出力データレートの範囲全体で3 μA未満です。このモードで動作中は、データシートに記載の全機能を使用できます。また、12.5 Hz～400 Hzまでのデータレートで連続的にデータを出力しながら、消費電流を3 μA未満に抑えることができるので、ADXL362は超低消費電力の加速度センサーといえます。また、全てのデータレートでADXL362はセンサーの最大帯域幅を連続的にサンプリングするため、アンダーサンプリングやエイリアシング（折り返し）は生じません。
- ウェークアップ･モードは、非常に低い消費電力で（2.0 V電源電圧で270 nA）、動きの有無だけを簡単に検出するのに最適です。このモードはモーション起動オン/オフ・スイッチの実現に特に有用で、動作が検出されるまでシステムの大部分をパワーダウン状態に保持できます。ウェークアップ・モードは、1秒間にわずか6回だけ加速度を測定し、動きの有無を検出することにより、消費電流を非常に低いレベルにまで低減します。ウェークアップ・モードでは、アクティブ・タイマ以外の全ての加速度センサーの機能を使用できます。全てのレジスタにアクセスでき、リアルタイム・データが得られます。
CN0274評価用ソフトウェアは、ADXL362のウェークアップ・モードを使うことができます。すなわち、ADXL362はモーションを検出するまでスリープ状態に保たれ、検出した時点で測定モードに移行します。
電力とノイズのトレードオフ
ADXL362は、消費電流をわずかに増やすことでノイズを減らすオプションをいくつか提供しています。
ADXL362の通常動作時のノイズ性能は100 Hz帯域幅で標準7 LSB rmsであり、帯域幅と必要な分解能にもよりますが、大部分のアプリケーションにはこれで十分です。ノイズをさらに下げる必要がある場合、ADXL362は電源電流がいくらか増加しますが、ノイズを低減できる2つの低ノイズ動作モードを備えています。
表1．ADXL362のノイズ対 電源電流
モード
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ノイズ
(µg/√Hz Typical) |
消費電力
(µA Typical) |
通常動作
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380
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2.7
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低ノイズ
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280
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4.5
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超低ノイズ
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175
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15
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標準3.3 V電源で、通常動作および2つの低ノイズ・モードで得られる電源電流値とノイズ密度を表1に示します。
CN0274評価用ソフトウェアは、ADXL362の通常動作のノイズ・モードを使います。
モーション検出
ADXL362はアクティブ（スレッショールド値を超える加速度が存在する状態）とインアクティブ（スレッショールド値を超える加速度が存在しない状態）を検出するロジックを内蔵しています。
アクティブまたはインアクティブのイベントの検出はステータス・レジスタで表示され、割込みを発生させるように設定することもできます。さらに、デバイスのアクティブ状態、つまり動いているか、静止しているかをAWAKEビットで示します。
アクティブ/インアクティブの検出機能は、加速度センサーが測定モードまたはウェークアップ・モード時に使用できます。
アクティブ検出
アクティブ・イベントが検出されるのは、加速度が、ユーザーが指定した期間にわたって仕様規定された閾値（スレッショールド値）を上回り続けた場合です。アブソリュートとリファレンスの2つのアクティブ検出イベントがあります。
-
アブソリュート・アクティブ検出を使用した場合、加速度サンプルとユーザーが設定した閾値とを比較して、動きが存在するかどうかを判定します。たとえば、0.5 gの閾値が設定され、ある軸での加速度がユーザー定義によるアクティブ検出時間よりも長い間1 gである場合、アクティブ・ステータスが起動されます。多くのアプリケーションでは、絶対的な閾値ではなく、基準となるポイントまたは向きからのずれをアクティブ検出のベースにするほうが有利です。この方式が特に便利なのは、重力によって加えられる静的な1 gがアクティブ検出に与える影響を除去できるからです。加速度センサーが静止している場合、たとえモーションが加っていなくても、その出力は1 gに到達することがあります。アブソリュート・アクティブでは、閾値が1 g未満に設定されると、この場合はすぐにアクティブが検出されてしまいます。
- リファレンス・アクティブ検出では、加速度サンプルがユーザー定義された時間にわたって、内部定義されたリファレンス値を基準としてユーザー定義された閾値を上回ったとき、アクティブが検出されます。閾値は、アクティブ検出モードが作動すると計算され、最初に得られたサンプルがリファレンス・ポイントとして使われます。アクティブは、加速度がこの最初の方向から十分変位したときだけ検出されます。リファレンス・モードでは、最もわずかなモーション・イベントさえ検出する、きわめて高感度なアクティブ検出が得られます。
CN0274評価用ソフトウェアは、アクティブ検出にリファレンス・モード動作を使います。
インアクティブ検出
インアクティブ・イベントが検出されるのは、加速度が、仕様規定された時間にわたって設定された閾値を下回り続けた場合です。アブソリュートとリファレンスの2つのインアクティブ検出イベントがあります。
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アブソリュート・インアクティブ検出では、加速度サンプルとユーザーが設定した閾値とをユーザーが設定した時間にわたって比較し、モーションが存在するかどうかを判定します。
- リファレンス・インアクティブ検出では、加速度サンプルが、ユーザーが設定した時間、ユーザーが指定したリファレンスと比較されます。デバイスが最初にアウェーク状態に入るとき、最初のサンプルがリファレンス・ポイントとして使われ、スレッショールドがその周囲に適用されます。加速度がスレッショールドの内側に留まれば、デバイスはスリープ状態に入ります。加速度の値がスレッショールドの外側に移動すると、そのポイントが次に新しいリファレンスとして使われ、スレッショールドがこの新しいポイントに再度適用されます。
CN0274評価用ソフトウェアはインアクティブ検出にリファレンス・モード動作を使います。
アクティブ／インアクティブ検出のリンク
アクティブ／インアクティブの検出機能を、ホスト・プロセッサによって同時に使用してマニュアルで処理したり、それらをいくつかの方法で連係動作するように設定できます。
- デフォルト・モードでは、アクティブ／インアクティブ検出はいずれも有効で、すべての割込みはホスト・プロセッサによって処理される必要があります。つまり、プロセッサが各割込みを読み取らなければ、割込みをクリアして再び使用することはできません。
- リンク・モードでは、同時に有効にできる機能が1つだけになるように、アクティブ／インアクティブ検出が互いにリンクされます。アクティブが検出されると、デバイスにモーションが加わっている、あるいはアウェーク（起動）状態と想定され、アクティブのスキャンを停止します。次のイベントとしてインアクティブが想定されるので、インアクティブ検出のみが動作します。インアクティブが検出されると、デバイスは静止している、あるいはスリープ状態と想定されます。次のイベントとしてアクティブが想定されるため、アクティブ検出のみが動作します。このモードでは、ホスト・プロセッサはまず各割込みを処理する必要があり、その後次の割込みがイネーブルされます。
- ループ・モードでは、モーション検出は前にリンク・モードで説明したように動作します。ただし、割込みはホスト・プロセッサによる処理を必要としません。この設定は一般に用いられるモーション検出の実装を簡素化し、バス通信に使用される電力を低減することで節電効果を高めます。
- リンクまたはループ・モードでは、自動スリープ・モードを有効にすると、デバイスはインアクティブが検出されると自動的にウェークアップ・モードに入り、アクティブが検出されると再び測定モードに入ります。
CN0274評価用ソフトウェアは自動スリープ・モードとループ・モードを使ってADXL362の機能を実証します。
AWAKE ビット
AWAKEビットは、ADXL362がアウェーク（起動された）状態であるかスリープ状態であるかを示すステータス・ビットです。デバイスは、アクティブ条件を検出した後にアウェーク状態であり、インアクティブ条件を検出した後にスリープ状態です。
アウェーク信号はINT1またはINT2ピンにマッピングすることができるので、加速度センサーのアウェーク状態に基づいて後段回路への電力を接続／切断するステータス出力として機能できます。この設定をループ・モードと組み合わせて使用すれば、単純で自律的なモーション起動スイッチを実装できます。
後段回路の起動時間を許容できる場合、このモーション・スイッチ設定は、残りのアプリケーション部分のスタンバイ消費電流をゼロにすることによって、システム・レベルの電力を大幅に節減することができます。なぜならこのスタンバイ電流は、時にADXL362の動作電流を上回ることがあるからです。
割込み
ADXL362の内蔵機能のいくつかは、割込みをトリガして特定のステータス条件をホスト・プロセッサに報告することができます。
割込みは、INTMAP1レジスタとINTMAP2レジスタの適切なビットをセットすることによって、それぞれ2本の指定された出力ピン（INT1とINT2）のいずれか（あるいは両方）にマッピングすることができます。すべての機能は同時に使用することができます。複数の割込みを1本のピンにマッピングした場合、ピンのステータスは、割込み信号のORをとることで決まります。
割込みピンに機能がマッピングされていない場合、そのピンは自動的に高インピーダンス（high-Z）状態に設定されます。ピンは、リセット時にも高インピーダンス状態に置かれます。
特定のステータス条件が検出されると、その条件がマッピングされているピンがアクティブになります。ピンの設定はデフォルトでアクティブ・ハイであるため、アクティブになると、ピンはハイレベルになります。ただし、INTMAPレジスタのINT_LOWビットをセットすることによって、この設定はアクティブ・ローに切り替えられます。
INTピンはホスト・プロセッサの割込み入力に接続することができ、割込みに割込みルーチンが応答するようにできます。同じピンに複数の機能をマッピングすることができるため、STATUSレジスタを使用して、割込みをトリガした原因を判定することができます。
CN0274評価用ソフトウェアは、アクティブが検出されたときはINT1ピンがハイに、インアクティブが検出されたときはINT1がローになるようにADXL362を設定しています。
テスト結果
EVAL-CN0274-SDPZとEVAL-SDP-CS1Zを使って全てのテストが行いました。アクティブ・スレッショールドを0.5 g、インアクティブ・スレッショールドを0.75 g、インアクティブのサンプル数を20に設定して、デバイスの機能を実証しました。アクティブを検出するには、ある軸の1つの加速度サンプルがスレッショールドを超えれば十分です。
バッテリ・パックがテーブルに対して平らになるように回路の方向が向いている状態で起動し（素子を水平にし）、プリント回路基板（PCB）を任意の方向にゆっくり90°回転させ、最初の方向に対して垂直に近づくときスレッショールドを横切らせることができます。
ADXL362が最初はスリープ状態でアクティブを監視している状態を示しているCN0274評価用ソフトウェアの画面を図2に示します。次に、サンプル11がスレッショールドを横切ると、ADXL362がアウェーク状態に入り、インアクティブを監視し始めます。スレッショールドが調整され、デバイスが今ではインアクティブを監視していることを示しています。
図2．評価用ソフトウェアの出力画面
見やすいように、チャートの上部のラジオボタンを使ってX軸とZ軸のプロットは無効にしてあります。
ADP195の出力または割込みピン自体は、デジタル・マルチメータを使って測定しました。ADXL362がアウェーク状態のとき、割込みはハイになり、ADP195 のENピンをハイにドライブします。次にENピンはMOSFETのゲートをローにドライブするので、スイッチが閉じて（スイッチ・オン）その先のどの回路へも電源を接続します。逆に、ADXL362がスリープ状態のときは割込みによってADP195のENピンがローにドライブされ、次にENピンがMOSFETのゲートをハイにドライブするので、スイッチが開き（スイッチ・オフ）ます。
PCBのレイアウトの検討事項
高い精度が不可欠などんな回路でも、基板の電源とグラウンド・リターンのレイアウトの検討が重要です。PCBはデジタル部分とアナログ部分をできるだけ隔離します。このシステムのPCBは、面積の大きなグラウンド・プレーン層とパワー・プレーンを積み上げた4層に構成しました。レイアウトとグラウンド接続の詳細に関してはMT-031 Tutorial、デカップリング方法に関してはMT-101 Tutorialを参照してください。
ADXL362への電源は1 μFと0.1 μFのコンデンサでデカップリングし、ノイズを適切に抑えてリップルを減らします。コンデンサはできるだけデバイスに近づけて配置します。全ての高周波デカップリングにはセラミック・コンデンサを推奨します。
電源ラインはトレース幅をできるだけ大きくしてロー・インピーダンス経路を与え、電源ラインのグリッチの影響を減らします。クロックや他の高速スイッチング・デジタル信号を、デジタル・グラウンドを使って基板の他の部品からシールドします。PCBの写真を図3に示します。
この回路ノートの完全な設計支援パッケージがwww.analog.com/CN0274-DesignSupportから提供されています。
図3. EVAL-CN0274-SDPZのPCBの写真
