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MCU を搭載した NFC エナジーハーベスティング回路搭載の PCB ビジネスクーカード

2026/08/28 22:48

MCU を搭載した NFC エナジーハーベスティング回路搭載の PCB ビジネスクーカード

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要約▶

Japanese Translation:

本プロジェクトは、収集されたラジオエネルギーを唯一の電源源とする革新的な電池不要型 NFC ビジネスクーカードを実装しており、内部にバッテリーや充電ケーブルを必要とせず動作する 21 のアニメーション LED を備えています。エンジニアたちは、余剰電力を LED に供給し、MOSFET とコンデンサを備えた特定の電圧制御回路を用いてインラッシュ電流を管理しながら、NXP NTAG I2C Plus NFC チップを搭載したカスタム回路によりこの実現を行いました。高さの最適化と RoHS 適合（無鉛組立）のために、彼らは ATtiny412 からコンパクトな ATtiny816 MCU（17 ピンの GPIO、3mm x 3mm QFN パッケージ）に変更しました。LED ディスプレイは、電圧崩壊を防ぐために 4 ピンの GPIO と PWM テクニックを用いた Charlieplexing で制御され、12 の独立した LED を動作させます。アンテナには矩形スパイラル形状が採用され、KiPython スクリプトを用いて 13.56 MHz に共鳴するように調整し、微調整も行われました。論理電位に関連するプログラミング上の課題（5V と 3.3V）は、Arduino ツールではなく Adafruit UPDI Friend ボードを採用することで解決されました。カードはクレジットカードサイズの PCB を採用しており、ENIG 仕上げ、高精度のシルクスクリーン、ファームウェア書き込み用の露出 UPDI パッドを備えおり、TVS ダイオードによる ESD 保護も含まれています。連絡先情報と QR コードは NXP TagWriter アプリを使用して管理され、リンクは Cloudflare を通じてリダイレクトされます。将来のバージョンではマルチカラー LED、インタラクティブなボタン、アーケード風のゲームを追加する計画があり、MCU の低い 1 MHz クロック速度により indefinite な動作を維持します。

本文

電池不要・NFC 式 LED アニメーション名刺の実装記録

本プロジェクトは、約 3 ヶ月前にKiCad を習得するための試みとして開始されましたが、「簡単だ」という想定とはほどなく現実離れした複雑さへと発展しました。最終的な製品は PCB プロセスのあらゆる側面を学び、結果も想像を超える素晴らしいものでした。

  • 基本機能: 電池を搭載せず、スマートフォンに接触させるだけで動作する NFC チップを利用しています。
  • 出力: 搭載された21 つの LEDがアニメーション的な点灯パターンを示します。
  • リソース: 完全な設計データ（PCB ファイルなど）は GitHub リポジトリで公開されています。

概念と技術的背景

従来の名刺型デバイスには以下のような課題がありました。

  • グラフィックデザイン重視のもの: シルクスクリーンや露出銅箔を利用したものは、電気工学よりデザイン寄りの傾向があります。
  • 高機能すぎないもの: ディスプレイや入力端子を備えたものは素晴らしいですが、コストが高く厚みが出るため携帯性に難がありました。

そこで考案されたのがNFC（近距離無線通信）名刺です。

NFC の動作原理

  • スマートフォンは常時微弱な磁界を発しており、これが微小なワイヤレス充電機として機能します。
  • カード自体がデータを送信するのではなく、カードが吸収するエネルギー量を変化させることで、スマートフォン側がそれをバイナリデータに変換・検出します。
  • この名刺は、一部の NFC チップが持つ「収穫した電力を外部へ導出できる」機能を活用しています。

選定チップの理由

  • ATtiny412 (初期計画): コンパクトで GPIO ポート数が多くて低消費電力という理想のマイコンでしたが、後に変更されました（詳細は後述）。
  • NXP NTAG I2C Plus: 外部からエネルギー収集し、高出力の NFC コミュニケーションに使用可能。

システムアーキテクチャの変更と設計

マイコンからの見直し：ATtiny412 → ATtiny816

当初選定した ATtiny412 ですが、以下の理由でATtiny816に変更しました。

  • GPIO ポート不足: 初期計画ではチャーリープレクシング（後述）のため 12 LED を制御する必要がありましたが、ATtiny412 のポート数では限界がありました。
    • ATtiny816 では GPIO が 17 になり、LED 制御用を 6 つ確保でき、余剰ポートでインジケータ LED も設置可能となりました。
  • パッケージ形状: 「Through-Hole（リード付き）」のみ対応していたため基板が高さが出ましたが、ATtiny816 は**QFN パッケージ（超小型・厚み 3mm×3mm）**に対応し、スリム化に貢献しました。

チャーリープレクシングの適用

  • 原理: ダイオードの单向導通を利用し、少数の GPIO で多数の LED を制御する技法です。
    • 制御可能 LED 数 ($y$) と GPIO 数 ($x$) の関係：$y = x \cdot (x - 1)$
  • 実装: GPIO 4 つ（ATtiny412 初期版）または 6 つ（ATtiny816 最終版）で、最大 12〜20 LED を点灯制御。
    • 一度に 1 灯のみ点灯しますが、**PWM（パルス幅変調）**で複数の LED に光量を分散させ視認性を確保しています。

電源回路の工夫：データシート警告への対応

NTAG I2C Plus のデータシートには「VOUT に接続できる容量は 220nF を超えない」という注意書きがありましたが、これを**「容量不足になる」誤解**として逆利用しました。

  • 大容量キャパシタの導入: 10µF キャパシタを VCC に直結し、起動時の突入電流を抵抗 (R3) で制限します。
  • MOSFET の活用: 容量充電後の放電制御に MOSFET(Q1) を使用。これにより大容量キャパシタの利点を得つつ、データシートが警告する「振動ループ」を防ぎ安定動作を実現しました。
    • R2 で起動時のみ GATE をハイレベルに保ち、C3 が 120ms で充電されるまで待機させる方式です。

アンテナ設計と調整

  • 目標: インダクタンスを2.75µHとし、内部キャパシタ (50pF) と共鳴周波数 13.56MHz を実現。
  • 調整: インダクタンスが少し小さいため、並列に1.5pF キャパシタを追加し、必要に応じて共振周波数を下方チューニングできるようにしました。

PCB レイアウトとルーティング

ルーティング戦略

  • KiCad の限界: 標準ツールでは矩形スパイラル形状のアンテナが作成できず、キープython スクリプト（LLM を活用して自作）を使用して生成しました。
  • 手作業での微調整: コード生成後は角を丸め、閉面積を数％変更し最適化しました。
  • レイアウト構成: IC と受動部品を左側に集約する審美的なデザインに統一。

配線ループの工夫（重要）

  • 完全ループの回避: 大規模な閉ループは NFC 磁界と結合して破壊的な渦電流を生む恐れがあるため、意図的にループ上部中央にギャップを残しました。
    • これにより電流形成を妨害し、アンテナを RF 妨害から守っています。
  • トポロジー: リボン状の配線では小規模な閉ループが生成されますが、これが主ループと独立しているため影響は軽微です。

バックデザインについて

  • 裏面にはすべての配線を明示的に描画し、ブロック図や部品表も含めています。
  • グラウンドプレーン未使用の理由: アンテナを流れる磁束が遮断され動作が停止する恐れがあるため敢えて採用せず、閉ループ電流最小化と審美性を優先しました。

製造・組立・プログラミング

製造プロセス

  • 仕様: クレジットカードと同サイズ（少し厚みあり）、高精度シルクスクリーン印刷、ENIG 表面処理。
    • RoHS 準拠（鉛不使用）を実現しています。
  • ロット数: 「数枚」か「30 枚」かの選択をしましたが、追加単価の低さを確認し30 枚を一式発注。

プログラミングと接続

  • インターフェース: マイコン背面には GND/VCC/UPDI の 3 パッド設置。ポゴピンクリップでブレッドボード標準ピッチ接続可能。
    • 静電気対策として UPDI と GND 間にTVS ダイオードを追加。
  • プログラミング方法: ATtiny816 は単線形式の UART（UPDI）経由。
    • Arduino/USB シリアルアダプタ、Raspberry Pi Pico 等での開発が可能。
    • 当初は IDE 設定で苦労しましたが、オシロスコープ接続も試行錯誤されました。最終的に**Adafruit「UPDI Friend」**を購入し、即座に動作確認できました。
  • コード構成:
    • メインループを裸金属 C で記述し、チャーリープレクシング行列の循環速度を最大化（フリッカー最小化）。
    • クロック周波数を1MHzに低下させて消費電力を抑えています。
  • NFC 書き込み: 「NXP TagWriter」アプリを使用してフォーマットとデータ書き込みを実行。

リンク設定

  • QR コードと NFC タグの両方で 
    https://connect.wilsonharper.net
    に誘導。
  • Cloudflare の設定により、任意の URL へリダイレクト可能にしています。

学んだ教訓と未来への展望

今回の成果

  • NFC（電力収穫）、アンテナ内回路、チャーリープレクシングという三要素をすべて統合し、審美的に優れたパッケージを実現しました。
  • 「ハードウェアは難しい」という言葉の真実を感じた反面、個々の部品自体は既知のものであり、それをどう統合するかが鍵であることを学びました。

今後の V2 計画

カードの使い尽くした後の次期モデルで検討中の要素：

  • LED カラースペクトルの拡大: 緑色や黄色など他の色も動作させる可能性調査。
  • インタラクティブ性の向上: 薄型ボタンを 1〜2 つ追加し、ユーザー操作に対応する機能を実装。
  • アーケードゲーム化: LED リングを使用し、複数のミニゲームを実現する可能性。

個々の要素はシンプルですが、その統合と美的なパッケージ化において新たな挑戦がありました。すべての可能性を確認した上で送りつけた結果、非常に有意義なプロジェクトとなりました。

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2026/08/30 2:49

おどろおどろしい虫たち

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宇宙のコア：1980年のスペースシャトル搭載のSpacelabコンピュータから復元されたコアメモリモジュール

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