White Paper ポータブル・アプリケーションで消費電力を大幅に

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ポータブル・アプリケーションで消費電力を大幅に削減する
ゼロ・パワー CPLD の使用
はじめに
従来、「低消費電力」と「プログラマブル・ロジック」という言葉は、同じ背景で使われることはありませんでした。
しかし、ゼロ・パワー CPLD の登場により、低消費電力電子機器の設計者がプログラマブル・ロジックの多くの利点
を利用できるようになったため、同じ背景で使われるようになりました。ゼロ・パワー CPLD は、汎用アプリケー
ションで示された CPLD の優れた能力の他に、ポータブル製品で全体の消費電力を削減することができるようになり
ました。
汎用 CPLD アプリケーション
この最初のグループのアプリケーションは、CPLD の方が優れている機能を表しています。特定の電力削減があると
いうわけではありませんが、低消費電力 CPLD を使用することでそれを実現すると、総合的な電力消費において有利
な効果が得られます。例えば、一般的な CPLD 機能は、ディスクリート・ロジックを集約することです。これにより、
PCB のスペースが節約され、部品コストが削減され、全体の消費電力が削減されます。次の各項では、幾つかの一般
的な汎用 CPLD アプリケーションについて説明します。
パワー・シーケンス
多くの製品では、種々のデバイスのパワーアップ順序が重要であるため、パワー・シーケンスが不可欠な機能になっ
ています。CPLD はシステムのパワーアップでマイクロ秒内に動作を開始するため、マイクロプロセッサやマイクロ
コントローラなどのシステム内で種々のデバイスのパワーアップ順序を制御する優れた選択肢になっています
（図 1）。このパワー・シーケンス機能は、低消費電力 CPLD が実現できる多くのシステム機能の内の 1 つにすぎませ
ん。プログラマブル・ロジックから最高の価値を得るということは、複数の機能を 1 つのデバイスに組み込むことに
よって可能になります。
図 1. CPLD を使用したパワー・シーケンス
1.8V
2.5V
3.3V
JTAG
CS
CS
CS
CPU
1.8V
ASIC
3.3V
ASSP
2.5V
System Buses
電圧レベルの変換
多くの製品で、様々な電圧のロジック・デバイスを使用することが必要とされています。複数電圧のアプリケーショ
ンをサポートするために、異なる電圧レベルのデバイスを接続することが頻繁に要求されます。CPLD の I/O 数は多
く、複数バンクにグループ化されています。このため、各 I/O バンクを独自な電圧源に割り当てることができます。
したがって、電圧レベル・シフタを作成するということは、2 つの電圧を使用するすべての I/O を 1 つのバンクにグ
ループ分けして、対応する基準電圧をこれらの I/O に必要とされる電源レールに接続するだけで達成されます（図 2）。
CPLD を使用してレベル・シフト機能が実現できるという利点の他に、さらに大きな利点をレベル・シフト機能と組
み合わせたプログラム性から得ることができます。例えば、ホスト・プロセッサでサポートされず、また電圧レベル
が異なる LCD ディスプレイをアプリケーションが必要としている場合、CPLD はホスト・プロセッサと LCD ディス
プレイの間で、電圧レベル・シフトとタイミング制御のために使用することができます。
WP-01042-1.1/JP
2007 年 12 月 ver. 1.1
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ポータブル・アプリケーションで消費電力を大幅に削減するゼロ・パワー CPLD の使用
Altera Corporation
図 2. 電圧レベル・シフト機能にアルテラの MAX IIZ CPLD を使用
VCCNT
1.8V
VCCIO for I/O Bank 2
I/O Bank 1
Operating at 2.5V
Input Bus
Operating at
2.5V I/O
Standard
Output Bus
at 1.8V
I/O Standard
MAX II EPM240Z
Core Operating at 1.8V
Individual Power Bus
I/O Bank 2
Operating at 1.8V
汎用 I/O ピンの拡張
CPLD がマイクロコントローラ、ASSP、または ASIC と優れた協調動作を行う多くのケースが存在します。例えば、
汎用 I/O（GPIO）ピンの拡張と呼ばれている一般的なアプリケーションでは、小型で安価なマイクロコントローラの
プログラミング機能と CPLD の GPIO リソースを組み合わせて使用しています。CPLD を使用して、I2C や SPI など
の使用可能なシリアル・ポートを経由してマイクロコントローラからアクセスできる内部レジスタのセットを作成で
きるため（図 3）、マイクロコントローラは既存のシリアル・ポートを使用して合計 I/O 数を増やすことができます。
CPLD で拡張した I/O は電圧レベル・シフト機能にも使用できるため、CPLD の用途を増やすことができます。(1)
図 3. GPIO ピンの拡張
Temperature
Sensor
I
2
C
MicroProcessor
M
A
S
T
E
R
SCL
SDA
MAX IIZ
PC to GPIO
Interface
8-bit
GPIO Output
2
8-bit
GPIO Input
Battery
Gauge
Altera Corporation
ポータブル・アプリケーションで消費電力を大幅に削減するゼロ・パワー CPLD の使用
この例ではマイクロコントローラを使用していますが、ASSP または ASIC にも同じように適用できます。例えば、多
くの設計者は、シリアル・インタフェースを介して CPLD を駆動する小型の ASIC 方が、同じ I/O 機能を持つ大規模
な 1 個の ASIC を作成するより安価なソリューションであることを知るようになりました。
インタフェース・ブリッジ
ポータブル・アプリケーションの設計者は、異なる I/O インタフェースとデバイスを接続しなければならないことが
よくあります。この機能は、異なるインタフェース間でブリッジを形成するのに CPLD を使用するため、ブリッジン
グと呼ばれることがあります。図 4 に、2 つの異なるシリアル・インタフェース（I2C と SPI）間をブリッジするため
に CPLD を使用する方法を示します。このデザインは、アルテラの MAX® IIZ EPM240Z CPLD 内で使用することが
でき、使用可能なロジックの約 43% と 6 本の I/O ピンを使用しています。(2)
図 4. MAX IIZ CPLD を使用した I2C-SPI 間のインタフェース
Altera MAX IIZ
A/D
D/A
Converter
SCLK
SS
SCLK
I2C
MISO
CPLD
Bridge
I2C MASTER
MOSI
SPI SLAVE
SPI MASTER
UP
ASIC
MCU
FPGA
Temp
Sensor
SDA
LCD/LED
MCU
EEPROM
INT
図 5 に、CPLD を使用してシリアル - パラレル・インタフェースを実装した一例として、SPI マスタにインタフェー
スするホスト・プロセッサを示します。この例では、ホスト・プロセッサ・バス・インタフェースと SPI マスタ全部
を構成し、MAX IIZ EPM240Z CPLD 内に実装することができます。使用可能なロジックの約 30% と 25 本の I/O ピ
ンを使用しています。(3)
図 5. MAX IIZ CPLD を使用したホスト・プロセッサ -SPI 間インタフェース
SCLK
MOSI
MISO
CS
Address [1:0]
Host
Processor
Data Bus [7:0]
RD
WR
CLK
SPI
Slave
SPI
Slave
SPI Master
0
1
.
.
.
7
SS
SS
SS
SPI
Slave
図 6 では、CPLD を使用して 2 つの異なるパラレル・インタフェース間をブリッジしています。このデザイン例では、
Compact FLASH+ デバイスに対する PXA310 ホスト・プロセッサ・バス・インタフェースを実装しています。これ
は、使用可能ロジックの約 17% と 59 本の I/O ピンを使用して、MAX IIZ EPM240Z CPLD 内に実装することができ
ます。(4)
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ポータブル・アプリケーションで消費電力を大幅に削減するゼロ・パワー CPLD の使用
Altera Corporation
図 6. MAX IIZ CPLD を使用したホスト・プロセッサ -CF+ 間インタフェース
I
CS
O
DF_IO
LUA
B
A
N
K
DF_OE
DF_WE
RDY
D [15:0]
A [10:0]
CE[2:1]
REG
OE
WE
IORD
IOWR
WAIT
I
O
MAX II
EPM240Z
B
A
N
K
1
2
CD (GPIO)
IRQ (GPIO)
RESET_OUT
CD [1:0]
IREQ
RESET
CF+
PXA310
消費電力を削減するアプリケーション
前述のアプリケーションは、ポータブル・アプリケーションに共通の多くの機能を実現するための低消費電力 CPLD
の使用法を示しています。次のグループのアプリケーションは、ゼロ・パワー CPLD の独自な機能を使用してポータ
ブル・アプリケーションの消費電力を削減する特別な方法を説明しています。
セルフ・パワーダウンとパワーアップ
MAX IIZ CPLD は、極めて小さいスタンバイ消費電力を持つゼロ・パワーCPLD の例を提供します。例えば、EPM240Z
デバイスのスタンバイ時の消費電流はわずか 29 µA です。しかし、絶対最小消費電力を実現するためには、デバイス
を使用しないときに電力を消費しないことが理想的です。驚くべきことに、これを実際に実現することが可能です。
MAX IIZ デバイスは、従来型のマクロセル・ベースの CPLD とは異なり、オシレータを内蔵しているので、これを
使用して自動パワーダウン機能が実現できるからです。
動作はシンプルであり、MAX IIZ CPLD へのすべての入力をカウンタの制御に使用します。アクティブな入力がある
場合、カウンタはリセット状態に維持されます。すべての入力が非アクティブになると、カウンタはユーザ定義の時
間が経過するまでカウントを続けます。この間すべての入力が非アクティブ状態を続けている場合、MOSFET
（Metal-Oxide- Semiconductor Field-Effect Transistor）をディセーブルする信号が送信されて、MAX IIZ デバイスの
電源が切断されます。入力がアクティブに戻ると、内部カウンタがリセットされて、電源が供給されて MAX IIZ CPLD
がパワーアップします（図 7）。
図 7. 入力が非アクティブ時の自動パワーダウンおよび自動パワーアップ
R3
1K
MOSFET
1
2xAA
3
D1
R1
1N914 1K
MAX IIZ
Application
logic
R2
D2
1N914 1K
4.4 MHz
PWR
DWN
4
~
R
÷44M
EN CO
Altera Corporation
ポータブル・アプリケーションで消費電力を大幅に削減するゼロ・パワー CPLD の使用
複数入力によるパワーアップ機能
入力を監視してセルフ・ストップまたはセルフ・スタートを容易に実行できる MAX IIZ CPLD の機能には、ポータ
ブル・アプリケーションで消費電力を削減する直接的なアプリケーションがあります。多くのポータブル製品では、
パワーアップ・ボタンを押すことにより、パワーアップが行われます。製品が一定の時間アイドルを続けると、シャッ
トダウンまたはスタンバイ・モードが開始されて、バッテリ寿命が維持されています。ここで、多くのポータブル設
計者は製品を再度アクティブにするユーザのアクションを期待します（例えば、カバーを開ける、任意のキーを押す、
メモリ・カードを挿入するなど）（図 8）。ただし、多くのパワー・マネジメント・デザインでは、1 本の制御入力だ
けを許容しています。この場合、CPLD を使用して入力を監視することができます。設計者が決めた時間だけ製品が
アイドル状態を続けると、CPLD がパワー・マネジメント・ロジックに対してパワーオフ信号を出力します。すべて
の入力がアクティブになると、CPLD がパワーアップして、パワー・マネジメント・ロジックに対してシステム・パ
ワーアップ信号を出力します。
図 8. 入力動作に基づいてシステム電源をスタートおよびストップさせる MAX IIZ CPLD
Power up inputs:
•• Lid opened
•• Key pushed
•• I/O card inserted
•
• Etc.
Pwr off/on
Power
Power mgmt
mgmtlogic
logic
Pwr off/on
Personal Media Player
消費電力を削減するコプロセッサとしての CPLD の使用
大規模で消費電力の大きいホスト・システム・プロセッサから小型で消費電力を節約する CPLD へ処理を分担させる
ことが可能なシステム機能は数多く存在します。これらの内の 1 つのグループは、周期的に実行する必要のある多く
のシステムﾒハウスキーピングﾓ機能から構成されています。次の例では、低消費電力の MAX IIZ CPLD が内蔵オシ
レータを使用してタスクを周期的に実行している間、システム・プロセッサは省電力モードを続けることができます。
必要に応じて、MAX IIZ CPLD の内蔵オシレータを外部オシレータでキャリブレーションすることができます。キャ
リブレーションの後、外部オシレータをパワーオフして、さらに消費電力を削減することができます（図 9）。
■
■
■
システム・ステータスの監視 : CPLD が周期的にシステム・ステータスをチェックします。問題がない場合には
パワーオフしますが、問題がある場合には、CPLD が問題を記録してホスト・プロセッサをウェイクアップさせ
ます。
Bluetooth LED の点滅 : 多くのポータブル・アプリケーションで一般的に行われているように、Bluetooth LED の
点滅は CPLD にとって自然なアプリケーションです。この代わりに、同じことを行うために必要なホスト・プ
ロセッサとシステムの他の部分をウェイクアップさせると、CPLD だけを使用する場合に比べて消費電力が大き
くなってしまいます。
バッテリ残量の監視 : ホスト・プロセッサがスタンバイ状態にある間、CPLD がバッテリ残量を周期的に読み出し
ます。残量が所定のレベルを下回ると、CPLD がホスト・プロセッサをウェイクアップさせて、安全にシャット
ダウンさせます。
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ポータブル・アプリケーションで消費電力を大幅に削減するゼロ・パワー CPLD の使用
Altera Corporation
図 9. 外部ソースを使用した CPLD 内蔵オシレータのキャリブレーション
VCC2
EPM240- T100
EPM240Z-T100
LPM_Counter
altufm_osc
~
4.4 MHz
4.4MHz
±25%
Sync_R Q
10 bits
Bits
R
LPM_Compare
Source A
COC
A=B
B
LPM_Register
D
Q
1 Bit
10 KHz
10KHz
±0.3%
LPM_Counter
2x5
Header
Adj
U/D
Q
10 bits
Bits
EN
S=333
EN
EN
COC
U/D
U/D
Control Block
R
COR
R
JTAG
VCC1
XTAL_OSC
~
33.33 MHz
±100 ppm
Application
Logic
LPM_Counter
R
÷3333
EN
CO
COR
CPLD を使用して低消費電力メディア・コプロセッサを作成することは、大幅に消費電力を削減するためのもう 1 つ
の機会を提供します。このアプリケーションで、ホスト・プロセッサを使用してメディア・ファイルをコーデックへ
転送する代わりに、ホスト・プロセッサをスリープさせて CPLD を使用します。一般に、この機能を実行するための
CPLD の消費電流はマイクロアンペアと小さく、ホスト・プロセッサによる場合のミリアンペアに比べると大幅に小
さくなります。この消費電力削減は、直接バッテリ寿命を伸ばすことに対応します。
まとめ
これまで、低消費電力ポータブル製品の設計者は、プログラマブル・ロジックが提供する多くの利点を利用すること
ができませんでした。しかし、マイクロアンペアの小さいスタンバイ電流を持つゼロ・パワー CPLD の登場により、
低消費電力製品の設計者にとってこれらのプログラマブル・デバイスは実現可能なオプションとなりました。
本稿では、CPLD を使用して汎用システム機能を実現する例を示すことにより、MAX IIZ CPLD 内の回路をセルフ・
ストップおよびセルフ・スタートさせる独自な機能を説明しています。この機能を特定のアプリケーションに応用し
て、ポータブル・アプリケーションで消費電力を削減することを示しています。さらに、システムの周期的監視やメ
ディア・ストリーミングのようなタスク処理をホスト・プロセッサから低消費電力 CPLD コプロセッサへ分担させる
方法も紹介しています。ゼロ・パワー CPLD の登場により、ポータブル電子機器製品の設計者は、革新的で多機能の
低消費電力製品を作成するためのさらに優れた能力を持つことが可能になりました。
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Altera Corporation
ポータブル・アプリケーションで消費電力を大幅に削減するゼロ・パワー CPLD の使用
参考文献
1.
AN 494: GPIO Pin Expansion Using I2C Bust Interface in an Altera MAX II CPLD:
www.altera.co.jp/literature/an/an494_j.pdf
2.
AN: 486: SPI to I2C Using MAX II CPLDs:
www.altera.co.jp/literature/an/an486_j.pdf
3.
AN 485: Serial Peripheral Interface (SPI) Master in Altera MAX II CPLDS:
www.altera.co.jp/literature/an/an485_j.pdf
4.
Design Example 200: CF+ Interface for the PXA310 Using MAX II CPLDs
5.
AN 491: Auto Start Using Altera MAX II CPLDs:
www.altera.co.jp/literature/an/an491_j.pdf
詳細情報について
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■
■
デザイン例のダウンロード :
www.altera.co.jp/support/examples/max/exm-max.html
MAX II CPLD を使用したポータブル・アプリケーションにおけるトータル・システム・コストの削減 :
www.altera.co.jp/literature/wp/wp-01001-reduce-total-system-cost-in-portable-apps-using-max_j.pdf
マイクロコントローラを CPLD で置き換える 6 通りの方法 :
www.altera.com/literature/wp/wp-01041-six-ways-to-replace-microcontroller-with-cpld._jpdf
AN 422: MAX II CPLD を使用したポータブル・システムにおける消費電力の管理 :
www.altera.co.jp/literature/an/an422_j.pdf
無償の Quartus® II Web Edition デザイン・ソフトウェアのダウンロード :
www.altera.co.jp/support/software/download/altera_design/quartus_we/dnl-quartus_we.jsp
MAX II 開発キット :
www.altera.co.jp/products/devkits/altera/kit-maxii-1270.html
“CPLD’s internal oscillator performs autocalibration,”EDN, September 13, 2007:
www.edn.com/article/CA6475008.html
謝辞
■
■
Rafael Camarota, Senior Manager, HardCopy® Product Group, Altera Corporation
Denny Steele, Senior Manager, Low-Cost Products Group, Altera Corporation
この資料は英語版を翻訳したもので、内容に相違が生じる場合には原文を優先します。こちらの日本語版は参考用としてご利用
ください。設計の際には、最新の英語版で内容をご確認ください。
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