ESP-WROOM-32 (ESP32) の 電流 測定 その２

前回の記事に引き続き、ESP-WROOM-32 ( ESP32 ) 電流測定の第２弾です。

コメント欄で、macsbugさんや「ねむい」さんからアドバイスを頂き、その後いろいろと測定を見直してみました。

macsbugさんは自身のブログで、とてもコアな電子工作をしておられます。
できるだけ安価なものを取り寄せて、低予算で実現できる、とても興味深い記事を書いておられます。
現在、ESP-WROOM-32の最も有効と思われるボードを使って工作されているので、以下の記事をぜひ参考にしてみてください。

ESP-WROOM-32 and ESP32 Adapter Board

「ねむい」さんは、自身のブログ記事で誰よりも早く ESP-WROOM-32 ( ESP32 )に着目して電流値を測定し、電源の大切さを説明されておられます。
私も以下のブログ記事を見てこの実験に取り組みましたので、是非参考にしてみてください。

ESP-WROOM-32を使ってみる2 -そんな電源で本当に大丈夫か-

ということで、私の前回の記事の電流測定では、ハイサイド ( High-Side ) 検出測定と言うらしく、電圧ドロップ（降下）を同時に見ることが出来て良いのですが、いろいろなノイズを拾ってしまい、コンデンサの充電電流も含んでしまうので、純粋なESP-WROOM-32 ( ESP32 )が吸い込む電流値を測定するには不向きだったようです。

今回はmacsbugさんからご指摘いただいたとおり、ローサイド( Low-Side )測定を試してみました。
ESP-WROOM-32 ( ESP32 )が吸い込むとてもキレイなノイズの少ない波形が取れました。
これは目から鱗でしたね。
ただ、ローサイド測定はESP-WROOM-32のGNDが浮いてしまうところが難点でした。
これについては後述しています。

考えてみれば、ESP-WROOM-32 ( ESP32 )に流れる純粋な電流量を調べたければ、そのGND端子から電流が吐き出されるので、そこの電流値を測れば良いわけです。
このことはプロの電子回路屋の方々にとっては当たり前のことかも知れませんが、アマチュアの私にとってはとても新鮮でした。
macsbugさん、教えていただきありがとうございます。
m(_ _)m

前回の記事については、USB機器にダメージを与える電流が流れていないか、LDOの最大出力電流はどれくらいなのか、そしてドロップ電圧がどれくらいなのかを調べて、最適なLDOを選定することが目的だったので、ある程度良いデータが得られたのではないかと思っております。

ただ、ブレッドボード上という簡易接続ですし、必要以上に電源コードやグランド線が長く貧弱なので、正確なデータとは程遠いことは事実です。
ブレッドボードというものはあくまで仮接続で、常に誤作動が出る危険性を孕んでいて、正確性や信頼性を求めてはいけないということを強調しておきたいと思います。それに、USBケーブルや接続するポートによって電流値がかなり変わることが今回判明しました。

また、前回記事のコメント欄で、ねむいさんがおっしゃっていたとおり、ESP-WROOM-32 ( ESP32 ) は別格の化け物マイコンです。
ブレッドボードはグランドが貧弱なので、クロック周波数を上げたり、Wi-FiとBluetoothを使ったりすると、様々な障害が懸念されます。
それをよくよく頭に入れておかねばなりません。

でも私の場合、いろいろと忙しくて、基板じっくり作る暇も無いですし、やっぱり手軽なブレッドボードはなかなか手放せません。
ですから、以上をよく頭に叩き込んだ上で、敢えてこの手軽なブレッドボードで出来ることを追求して、凝りもせず第２弾の電流測定をしていこうと思います。

クドイようですが、以下はあくまでブレッドボード上の素人測定なので、正確精密な測定ではありません。
あらかじめご了承ください。

因みに、Amazon.co.jp でもESP-WROOM-32 関連の販売が多くなってきましたね。

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その他、スイッチサイエンスさんなどからも専用ボードが発売されたりしていますね。
ますます、この界隈が活発になってきました。

ESP-WROOM-32電流測定ブレッドボード上回路プチ見直し

macsbugさんやねむいさんのアドバイスも考慮に入れつつ、ブレッドボードにこだわって、電流測定回路をプチ見直してみます。
（後で別途大幅見直しします）
まず、前々回の記事の配置をちょっと変えて、リセットスイッチやLEDよりもLDO (ロー・ドロップ・アウト)電圧レギュレーターに近い位置にESP-WROOM-32を配置しました。
以下の様にします。

macsbugさんがおっしゃっているとおり、できるだけ電源に近い位置にして、ジャンパー線も短くしてみました。
この写真はありません。撮るのを忘れてしまいました。

これでまず、USBケーブルやUSBポートを変えて、ハイサイド電流を測定してみます。

接続するUSBケーブルやUSBポートによる電流値の違い

では、上記の「プチ見直し回路」で、USBポートやUSBケーブルをいろいろ変えてみたら、突入電流や電圧ドロップが異なり、なかなか面白いデータが得られたのでご報告します。

前回の電流測定では、1A出力のUSB-ACアダプターを使って、中国製USBテスターと長めのUSBケーブルをジョイントして測定していました。

実は、USBケーブルの長さを明記していなくて申し訳ありませんでした。
改めて、USB側のケーブルやポート構成を明記すると、こうなります。

1A出力USB-ACアダプター
↓
1.5m USBケーブル
↓
中国製USBテスター
↓
0.9m USBケーブル

高性能マイコンを使うにしては、USBケーブルラインがちょっと長すぎましたね。
失礼しました。

でも、一般的にUSBケーブルは5mまでのケーブルが売っていて、これくらいの長さは多くの人が良く使うと思われます。
ということで、改めてESP-WROOM-32 の電源投入後から自動リセットまでの5Vラインの波形を見てみます。
前回の記事よりも波形位置とレンジを変えました。

やっぱり、ESP-WROOM-32 ( ESP32 )の自動リセットのところで1Vくらいの電圧ドロップがあります。
こんなに下がってしまうと様々なトラブルの元になりますね。
そして、２段階の突入電流があります。

では、1.5m USBケーブルを外してみると、こうなります。

どうですか？
ESP-WROOM-32 自動リセット起動の5Vラインの電圧ドロップがかなり少なくなっていることが明らかに分かりますね。
ざっと見た感じで倍くらい少なくなってます。
ということは、やっぱりUSBケーブルは短く太い高性能のものを使用した方が良いということですね。

では、今度は中国製USBテスターを外して、1.5mUSBケーブルと0.9mUSBケーブルをジョイントさせただけの場合はどうなるのでしょうか？

２段階突入電圧が消えたように見えます。
（実は拡大すると２つ山がありました。後述します）
リセット時のドロップは最初のグラフとあまり変わりありません。
ということは、

5Vライン電圧ドロップはUSBケーブルがネックだった！

ということがハッキリしましたね。

USBケーブルが0.9mの場合と0.9+1.5mジョイントケーブルの場合のリセット時のドロップ電圧を拡大して比較してみると、

パッと見た目もかなり降下が大きいことが分かります。
0.9+1.5mジョイントケーブルの場合は最大4.2Vまでドロップしてしまいました。
1.5m長くしただけで、0.5Vもドロップしてしまうということです。
もちろん、ケーブルの質によって変わります。
また、USBケーブルが長くなると抵抗値が上がるので、電流値は少なくなってしまっています。
デバイス側では必要な電流が欲しいのに、電流値が下がる上に、電圧がドロップしてしまうのは良くないですね。

粗悪な物で、距離の長いUSBケーブルを使ったり、USBハブを使ったりすると、リセット時やWi-Fi通信時のパルス電流で5Vライン側が1V以上瞬時電圧降下（ドロップ）を起こす可能性大という事です。
その場合、LDO電圧レギュレーターの動作範囲外まで電圧が落ち込んでしまい、3.3Vラインも予想外の電圧不安定を引き起こす可能性があります。
ESP-WROOM-32 ( ESP32 )の動作電圧範囲は、データシートによると、2.2～3.6V ですから、それ以下になると思わぬトラブルに見舞われるようです。
「ねむい」さんの以下の記事では、プログラム書き込み中に電圧ドロップが起きると、ESP-WROOM-32が故障する場合があると書かれています。

ESP-WROOM-32を使ってみる5 -ESP-WROOM-32が物故割れた

この記事、故意に破壊させていて、オモシロイですよね。
３回トラブったら４回目は無く、永遠にESP-WROOM-32は復活しないというのは怖いですね。

さて、突入電流はどうかというと、USBテスターを外すと２段階波形が無くなっているように見えましたね。
実は拡大すると、とんでもない大きさの電流で２つの山が出ているのですが、これは後で述べます。

ということで、私の手持ちの物では、0.9mUSBケーブルでUSBポート直挿しが一番特性が良いようです。
ということで、以降は主にこれで測定していきます。

では、今度はACアダプターではなく、パソコンのUSBポートにするとどうなるのでしょうか？
まず、USB2.0に挿すとこうなります。

これを見る限り、ACアダプターとそう変わりありませんね。
（ただし、実は突入電流を拡大するとエライことになっていました。後述します。）

パソコンのUSB3.0ポートにするとこうなります。

これもUSB2.0とそんなに大差無いように見えますが、突入電流を拡大すると大変なことになっています。

以上から、大電流マイコン5Vラインの電圧ドロップを最小限に抑えるには、

USBケーブルは太くて短くて質の良いものを使うべし！！

ということです。
そして、間にUSBテスター等の機器を挟んだりすると、突入電流波形が変わることが分かりました。

では、次ではその突入電流を拡大して見ていきましょう。