バスを5V信号から保護する回路

2003年3月号

バスを5V信号から保護する回路

セド・ジャクソン	米イクエーター・テクノロジーズ社
Said Jackson	Equator Technologies, Inc.

　図1の回路は電圧を自動的に検出して、3.3V対応のPCIなどのバスを5V振幅の信号から保護する回路だ。保護ダイオードや終端抵抗を用いて適切な終端電圧を設定すれば、1バス・サイクル以内でバスの信号振幅をある値に設定する回路としても使える。
　最近のVLSI技術は、加工寸法が「ディープ・サブミクロン」と呼ばれる領域に到達した。このため、こうした技術で製造するICは、入出力部の振幅が3.3Vに制限されることがある。このICと5Vのバスを搭載するカードなどを接続すると、ICに損傷を与えてしまう。
　図1の回路は、1バス・サイクル以内で、振幅が3.3Vより大きな信号を正確に検出する。過電圧を検知したときには、アラームとリセット信号を出力して、ユーザーとシステムの両方に知らせる。
　この回路の特徴は4つある。1つは同期して過電圧を検出できるので、信号がオーバーシュートによって電圧が高くなっても、アラームを出力しない点。2つ目はバスに対してインピーダンスが高く、容量が小さい負荷として動作する点。3つ目は過電圧を検出した場合に、システムを自動的にシャットダウンできる点。4つ目は応答時間が1バス・サイクルよりも短い点である。
　この回路は、米イクエーター・テクノロジーズ社*1）の動作電圧が3.3Vのプロセッサー「MAP-CA」ファミリーと組み合わせて動作を確認した。動作電圧が3.3V以下のシステムにも適用可能。イクエーター社の最新チップは、動作電圧が3.3Vの1本（PCI_AD10）と、3.8Vの基準電圧を常に比較している。この基準電圧であれば、5V信号が3.3Vの保護ダイオードでクラであっても5V振幅の信号に耐えられる。しかし、動作電圧が1.8Vや2.5Vのこのほかのチップでは保護が必要だ。
　IC₃には、伝搬遅延時間（TPD）が4.5nsと短い、米マキシム・インテグレーテッド・プロダクツ社*2）の比較器IC「MAX999」を用いた。PCIバス信号線のうちンプされたときの電圧か、通常の3.3Vの動作電圧かを判別できる。信号電圧がこの基準電圧を1バス・サイクルにわたって超えた場合に、回路はトランジスタQ₁に接続したアラーム・ブザーを鳴らす。
　この回路はリセット信号をシステムへ出力できる。この信号はシステムの誤り検出信号としても使える。アラーム用レジスターIC₂Bは非同期型である。このためアラームは、システムからIC₂Bに供給する電力を停止するか、リセット信号を入力して解除する。
　信号のオーバーシュート現象やアンダーシュート現象で誤ってトリガーがかからないようにするため、フリップフロップ論理を基にしたレジスターIC₂Aは、バスのクロック信号の立ち上がりエッジで比較器ICの出力を取り込む。この方法を用いれば、一般的なバス・クロック信号周波数である33MHzにおける33ns周期の中で、信号が安定化してから保護回路として動作するようになる。
　IC₃の3番ピンにおける3p～5pFの寄生容量と、検出抵抗であるＲ₂とR3で構成する低帯域通過フィルターによって、この回路で対応できる最大クロック信号周波数が決まる。従って、IC₃の3番ピンとR2、R3の間の配線を短くすれば、この回路で対応できる周波数を最大40M～50MHzにできる。さらにＲ₂とＲ₃の抵抗値を対称性を保ちながら小さくすれば、バスの動作周波数は、理論的には最大140　MHz以上（周期は7ns）にできる。しかしこの場合、バスの負荷電流が大きくなってしまう。
　PCIバスにこの回路を実際に適用するためには、比較器IC₃の3番ピンをPCI_AD10信号と接続するとよい。PCIバスを使っている機器は、ほかの機器を検出するときに必ず1回はこの信号を使うからだ。ほかの信号を同時に観測することで同様な機能を実現できる。しかしPCI_AD10信号を監視するだけでも、BIOS*がシステムをブートするときにほかの機器を検出する動作を実行可能だ。このため5V対応のPCIバスを使った機器を見つけ出せる。
　5V対応のPCIバスを使った機器が接続された場合、比較器IC₃の1番ピン（出力Q）は、PCIバスのクロック信号の立ち上がりエッジでIC₂Aをラッチ・オンする。こうしてフリップフロップ論理のレジスターIC₂Bが動作するようになる。この結果、ブザーLS₁が鳴ると共に、IC₁のオープン・コレクタを通して負論理の誤り検出信号がシステムへ出力される。この誤り検出信号を用いて、自動的にシステムを正常化する機能も実現できる。この場合、故障した回路を動作させないようにする。
　検出抵抗Ｒ₂とＲ₃と、基準電位生成用抵抗Ｒ₅とＲ₆は公称誤差が1％の金属被膜抵抗を用いる必要がある。Ｒ₅に入力する5Vの基準電圧が、比較器ICのしきい値の精度を決定する。最近の電圧レギュレーターICは十分な電圧精度があるので、システムの5V電源を基準電圧源に使える。すなわち別に5V基準電圧を用意する必要はない。ジャンパー（保護回路動作スイッチ）JP₁を解放すれば、この回路の動作を無効にできる。

用語解説 / 会社情報

*1）
ホームページはhttp://www.equator.com/。

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*2）
ホームページはhttp://www.maxim-ic.com/。

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【BIOS】
basic input output system

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