EP.16 ออกแบบไฟเลี้ยงวงจร (1): เลือกแหล่งไฟ LDO หรือบั๊กคอนเวอร์เตอร์ และทำ Power Budget

📘 ซีรีส์ออกแบบ IoT Product · EP.16/70 · บทที่ 3: ไฟเลี้ยง แบตเตอรี่ การสื่อสาร และต้นแบบแรก

ตอนนี้ตอบคำถามว่า ไฟเลี้ยงบอร์ดควรมาจากไหน และควรแปลงแรงดันด้วยอะไร ต่อจาก EP.15 ที่เราออกแบบการสั่งปั๊มและพัดลมอย่างปลอดภัยไปแล้ว

เลือกแหล่งไฟให้ตรงกับที่ติดตั้ง

แหล่งไฟไม่ได้เลือกจากความชอบ แต่เลือกจาก สถานที่ติดตั้งและคนที่ต้องดูแลเครื่อง

• USB-C 5V เหมาะกับอุปกรณ์ในบ้านหรือร้าน หาอแดปเตอร์ง่าย แต่สายยาวแรงดันจะตกตอนกินกระแสสูง
• อแดปเตอร์ 12V หรือ 24V เป็นมาตรฐานงานอุตสาหกรรมและตู้คอนโทรล เดินสายยาวได้ดีกว่าเพราะกระแสน้อยกว่าที่กำลังเท่ากัน แต่ต้องมีวงจรลดแรงดันลงมาที่ 3.3V
• แบตเตอรี่ เหมาะกับจุดที่ไม่มีปลั๊ก หรือใช้เป็นไฟสำรอง แต่แรงดันจะค่อย ๆ ลดลงตามประจุที่เหลือ วงจรของเราต้องรับช่วงแรงดันนั้นได้ทั้งช่วง (ชนิดแบตลงลึกใน EP.18)

LDO, Buck หรือ Buck-Boost

Regulator คือวงจรรักษาแรงดันให้นิ่ง มี 3 แบบหลักที่ใช้ในงาน IoT

LDO (ตัวลดแรงดันแบบเชิงเส้น) ทิ้งแรงดันส่วนเกินเป็นความร้อน ประสิทธิภาพประมาณ แรงดันออกหารแรงดันเข้า เช่น 5V ลงเหลือ 3.3V ได้ราว 66% ข้อดีคือวงจรง่าย ชิ้นส่วนน้อย และ สัญญาณรบกวนต่ำ ข้อจำกัดคือ dropout (ส่วนต่างแรงดันขั้นต่ำที่ต้องมี) ถ้าแรงดันเข้าต่ำกว่าแรงดันออกบวก dropout เมื่อไร ขาออกจะตกตาม

Buck (ตัวลดแรงดันแบบสวิตชิ่ง) สับไฟผ่านขดลวด ประสิทธิภาพมักสูงกว่ามากเมื่อส่วนต่างแรงดันมาก เช่น 24V ลง 3.3V ถ้าใช้ LDO จะเสียเป็นความร้อนเกือบทั้งหมด แต่ต้องวางลายวงจรดี ไม่อย่างนั้นสัญญาณรบกวนจากการสวิตช์จะไปกวนวิทยุและเซนเซอร์

Buck-Boost ลดหรือเพิ่มแรงดันได้ในตัวเดียว ทำให้ได้ 3.3V นิ่งแม้แรงดันแบตจะสูงกว่าหรือต่ำกว่า 3.3V

อีกค่าที่คนมักมองข้ามคือ quiescent current (กระแสที่ตัว regulator กินเองแม้วงจรไม่ทำงาน) LDO รุ่นเก่าราคาถูกบางรุ่นกินเองหลายมิลลิแอมป์ ขณะที่รุ่นสำหรับงานแบตกินแค่หลักไมโครแอมป์ ตอนเสียบไฟแทบไม่มีผล แต่ตอนพักด้วยแบต ค่านี้อาจกินมากกว่าไมโครคอนโทรลเลอร์ทั้งตัว ต้องดูใน datasheet ของรุ่นที่จะใช้เสมอ

ทำตาราง power budget ทุกชิ้นส่วน

Power budget คือตารางกระแสของทุกชิ้นส่วนแยกตามโหมด ใช้ตอบสองคำถาม คือ regulator ต้องจ่าย กระแสสูงสุด ได้เท่าไร และ กระแสเฉลี่ยตอนพัก เท่าไร (เอาไปคิดอายุแบตใน EP.19)

วิธีทำ: ไล่ทุกชิ้นบนบอร์ด ใส่ค่าสูงสุดและค่าตอนพักจาก datasheet ค่าไหนไม่มีให้ติดป้ายประมาณการแล้ววัดจริงตอนมีต้นแบบ อย่าลืม regulator เอง LED และตัวต้านทานดึงขา

ลองใช้กับโปรเจกต์ตัวอย่าง: ตัวเฝ้าโรงเห็ด

ใช้ ESP32-C3 เป็นตัวแทนคำนวณ (รุ่นย่อยจริงเลือกหลังทำต้นแบบ) ตาม datasheet ของ Espressif: ส่ง Wi-Fi แบบ 802.11b ที่กำลังสูงสุด กระแสยอดราว 335 mA และโหมด light-sleep ราว 130 µA ส่วนค่าอื่นเป็น (ตัวเลขห้องเรียน)

ชิ้นส่วน            โหมดทำงาน (mA)     โหมดพักด้วยแบต (mA)
ESP32-C3 + Wi-Fi    ยอด 335 / เฉลี่ย 80   0.13 (light-sleep)
หัววัดอุณหภูมิ+ชื้น     1                   0.01
LED สถานะ             5                   0
buzzer (ตอนเตือน)      30                  0
regulator กินเอง      ดูตัวเลือกด้านล่าง
รวมยอด             ราว 370 mA

การตัดสินใจ: ใช้ Buck-Boost กระแสออกอย่างน้อย 500 mA ที่ quiescent current หลักไมโครแอมป์ เหตุผลมีสามข้อ

1. ยอดราว 370 mA และคู่มือออกแบบฮาร์ดแวร์ของ Espressif แนะนำว่าแหล่งจ่าย 3.3V ควรจ่ายได้ ไม่น้อยกว่า 500 mA จึงได้ส่วนเผื่อพอดี
2. เครื่องเราต้องมีแบตสำรองตอนไฟดับ แรงดันแบตลิเธียมทั่วไปจะไหลลงต่ำกว่า 3.3V ปลายรอบ LDO ทำให้ไฟบอร์ดตกตาม แต่ Buck-Boost ยังจ่าย 3.3V ได้
3. ตอนพักด้วยแบต ไมโครคอนโทรลเลอร์กินราว 0.13 mA ถ้าใช้ LDO ที่กินเองหลาย mA ตัว regulator จะกินมากกว่าเครื่องทั้งเครื่องหลายสิบเท่า

ถ้าตอนเลือกแบตตัดสินใจใช้ชนิดที่แรงดันไม่ต่ำกว่า 3.3V บวก dropout ตลอดช่วงใช้งาน ค่อยกลับมาพิจารณา LDO แบบ Iq ต่ำ เพราะถูกกว่าและเงียบกว่า

เช็กลิสต์ก่อนไปตอนถัดไป

• เขียนช่วงแรงดันขาเข้าที่แย่ที่สุดของแหล่งไฟทุกแบบที่เครื่องจะเจอ
• ทำตาราง power budget แยกโหมดทำงานกับโหมดพัก ใส่ทั้งค่ายอดและค่าเฉลี่ย พร้อมระบุว่าค่าไหนมาจาก datasheet
• เลือก regulator ที่จ่ายกระแสยอดได้พร้อมส่วนเผื่อ และดู quiescent current กับกราฟประสิทธิภาพช่วงกระแสต่ำ
• เผื่อจุดวัดกระแสบนบอร์ดต้นแบบ เพื่อแทนตัวเลขประมาณการด้วยค่าวัดจริง

ตอนต่อไป — EP.17: ออกแบบไฟเลี้ยงวงจร (2): ทำไมบอร์ด Wi-Fi รีเซ็ตเอง วงจรป้องกัน และสลับไปแบตเมื่อไฟดับ

อยากให้ทีมช่วยออกแบบอุปกรณ์ IoT เฉพาะงานของคุณ ดูบริการได้ที่ /iot หรือปรึกษาฟรีที่ /consult และทัก LINE @spvtech