จ่ายไฟ ESP32 ให้ถูก USB ขา 5V ขา 3V3 และคำนวณอายุ แบตเตอรี่

บอร์ด ESP32 รับไฟได้สามทาง คือพอร์ต USB ขา 5V และขา 3V3 แต่ละทางมีเงื่อนไขต่างกัน และต้องเลือกใช้ทีละทาง ส่วนเรื่องแบตเตอรี่ ตัวที่กำหนดว่าอยู่ได้กี่วันไม่ใช่ตอนที่บอร์ดทำงาน แต่เป็นตอนที่บอร์ดหลับ บทนี้อธิบายเส้นทางไฟบนบอร์ด งบกระแส และคำนวณอายุแบตให้ดูทีละขั้น

ตัวเลขของชิปในบทมาจาก ESP32 Series Datasheet ของ Espressif ตัวอย่างใช้บอร์ดแบบ ESP32-DevKitC (โมดูล ESP32-WROOM-32) ถ้าใช้ชิปรุ่นอื่น เช่น ESP32-C3 หรือ S3 ให้เปิด datasheet ของรุ่นนั้นเทียบ

ไฟเดินทางยังไงบนบอร์ด

ตัวชิป ESP32 ทำงานที่ 2.3–3.6 V โดย Espressif แนะนำให้ใช้ 3.3 V และแหล่งจ่ายที่จ่ายกระแสได้ 500 mA ขึ้นไป แต่ USB ให้ 5 V บอร์ดจึงมีตัวควบคุมแรงดันแบบ LDO (low-dropout regulator) แปลง 5 V ลงเหลือ 3.3 V

ทางเข้าไฟ	รับแรงดันเท่าไร	ผ่าน LDO ไหม	ใช้เมื่อไร
พอร์ต USB	5 V จากคอมหรือหัวชาร์จ	ผ่าน	ตอนเขียนโค้ด ทดลองบนโต๊ะ
ขา 5V	5 V จากแหล่งจ่ายภายนอก	ผ่าน	ติดตั้งจริง ใช้อะแดปเตอร์ 5 V
ขา 3V3	3.3 V ที่ควบคุมแรงดันแล้ว (ไม่เกิน 3.6 V)	ไม่ผ่าน	มีวงจรแปลงไฟของตัวเองแล้ว

คู่มือ ESP32-DevKitC เขียนชัดว่าสามทางนี้ ใช้ได้ทีละทางเท่านั้น ต่อพร้อมกันแล้วบอร์ดหรือแหล่งจ่ายอาจเสีย

ขา 3V3 ไม่มีอะไรกั้นระหว่างไฟที่ป้อนเข้ากับตัวชิป ป้อนเกิน 3.6 V คือเกินพิกัดของชิปโดยตรง

LDO ต้องมีแรงดันเหลือ (dropout)

LDO ทำงานได้เมื่อแรงดันเข้าสูงกว่าแรงดันออกอย่างน้อยค่าหนึ่ง เรียกว่า dropout voltage บอร์ดราคาประหยัดหลายรุ่นใช้ชิปตระกูล 1117 ซึ่ง datasheet ของ AMS1117 ระบุ dropout ราว 1.1 V (สูงสุด 1.3 V) ที่กระแส 800 mA

ลองคิดสองกรณี

1. ป้อน USB 5 V: 5.0 − 1.3 = 3.7 V มากกว่า 3.3 V ที่ต้องการ LDO ทำงานปกติ
2. ป้อนแบตลิเธียม 1 เซลล์เข้าขา 5V: แบตเต็มอยู่ที่ 4.2 V ได้ 4.2 − 1.1 = 3.1 V พอแบตลดเหลือ 3.7 V จะเหลือแค่ราว 2.6 V ต่ำกว่า 3.3 V ไปเยอะ

กรณีที่ 2 บอร์ดอาจยังติด แต่พอ Wi-Fi ดึงกระแสสูง แรงดันจะตกจนบอร์ดรีเซ็ตเอง (brownout) อาการคือบอร์ดรีสตาร์ตวนตอนต่อ Wi-Fi ทั้งที่เสียบ USB แล้วปกติ ทางแก้คือใช้ LDO ที่ dropout ต่ำจริง ๆ หรือวงจรแปลงไฟแบบ buck-boost หรือใช้บอร์ดที่ออกแบบมาให้ต่อแบตลิเธียมโดยตรง (มีช่องเสียบแบตและวงจรชาร์จบนบอร์ด)

อีกเรื่องคือความร้อน LDO ทิ้งแรงดันส่วนเกินเป็นความร้อน ป้อน 5 V ใช้ 250 mA จะร้อน (5.0 − 3.3) × 0.25 ≈ 0.43 W ตัวเล็ก ๆ บนบอร์ดจึงอุ่นมือเวลาทำงานหนัก ถ้าต่อเซนเซอร์หรือโมดูลอื่นจากขา 3V3 เพิ่ม ให้นับกระแสรวมด้วย

งบกระแส: ใช้เท่าไร ตอนไหน

ค่าจาก datasheet ของชิป ESP32 (ไม่รวมชิ้นส่วนอื่นบนบอร์ด)

สถานะ	กระแสโดยประมาณ
ส่ง Wi-Fi 802.11b ที่ +19.5 dBm	240 mA
ส่ง Wi-Fi 802.11n MCS7 ที่ +14 dBm	180 mA
รับ Wi-Fi	95–100 mA
Light-sleep	0.8 mA
Deep-sleep (RTC timer + RTC memory)	10 µA

ตัวเลข 240 mA เป็นช่วงสั้น ๆ ตอนส่งข้อมูล ไม่ใช่ค่าเฉลี่ย แต่แหล่งจ่ายต้องรับช่วงพีกนี้ได้โดยแรงดันไม่ตก จึงเป็นที่มาของคำแนะนำ 500 mA เผื่อไว้ให้อุปกรณ์อื่นด้วย พอร์ต USB 2.0 ของคอมจ่ายได้ราว 500 mA พอสำหรับบอร์ดเปล่ากับเซนเซอร์เล็ก ๆ แต่ไม่พอถ้าจะพ่วงไฟ LED หลายดวงหรือมอเตอร์

deep sleep คืออะไร

ใน deep sleep ซีพียูและ RAM ส่วนใหญ่ดับ Wi-Fi ดับ เหลือแค่วงจร RTC กับ RTC memory ที่ยังมีไฟ ตื่นได้ด้วยตัวจับเวลาหรือขา GPIO บางขา จุดที่คนพลาดบ่อยคือ ตื่นแล้วโปรแกรมเริ่มใหม่จาก setup() ไม่ได้ทำต่อจากบรรทัดที่สั่งหลับ

ตัวอย่างโค้ด Arduino-ESP32 ตื่นทุก 10 นาที อ่านค่า ส่งข้อมูล แล้วหลับต่อ

RTC_DATA_ATTR int bootCount = 0;   // อยู่ใน RTC memory ไม่หายตอนหลับ

void setup() {
  bootCount++;
  // อ่านเซนเซอร์ ต่อ Wi-Fi ส่งข้อมูล ตรงนี้
  esp_sleep_enable_timer_wakeup(600ULL * 1000000ULL);  // 600 วินาที หน่วยเป็นไมโครวินาที
  esp_deep_sleep_start();
}

void loop() {}  // ไม่ถูกเรียก เพราะหลับก่อนถึง

รายละเอียดการเขียนโปรแกรมประหยัดไฟเชิงลึก เช่น ULP coprocessor หรือการลดเวลาต่อ Wi-Fi เป็นเรื่องของสายโปรแกรมมิ่ง บทนี้เน้นที่ไฟเลี้ยง

คำนวณอายุแบตทีละขั้น

โจทย์: เครื่องวัดอากาศ ตื่นทุก 600 วินาที ตื่นอยู่ 4 วินาทีเพื่อต่อ Wi-Fi และส่งข้อมูล ใช้แบต 2,000 mAh

ตัวเลขกระแสข้างล่างเป็น ค่าสมมติสำหรับตัวอย่าง ของจริงต้องวัดจากบอร์ดตัวเอง

• ตอนตื่น เฉลี่ย 150 mA (มีช่วงรับ ช่วงส่ง และช่วงรอ)
• ตอนหลับ แบบ A: บอร์ดที่ตัดส่วนเกินออกแล้ว วัดได้ 0.05 mA
• ตอนหลับ แบบ B: บอร์ดทดลองที่มีไฟ LED แสดงสถานะ ชิป USB-serial และ LDO ที่กินกระแสเอง วัดได้ 6 mA

ขั้นที่ 1 ประจุที่ใช้ต่อรอบ (หน่วย mA·s)

• ตื่น: 150 × 4 = 600
• หลับ แบบ A: 0.05 × 596 = 29.8 รวม 629.8
• หลับ แบบ B: 6 × 596 = 3,576 รวม 4,176

ขั้นที่ 2 กระแสเฉลี่ย หารด้วยเวลาหนึ่งรอบ 600 วินาที

• แบบ A: 629.8 ÷ 600 ≈ 1.05 mA
• แบบ B: 4,176 ÷ 600 ≈ 6.96 mA

ขั้นที่ 3 อายุแบต เผื่อใช้ได้จริงแค่ 80% ของความจุ = 1,600 mAh

• แบบ A: 1,600 ÷ 1.05 ≈ 1,524 ชั่วโมง ≈ 63 วัน
• แบบ B: 1,600 ÷ 6.96 ≈ 230 ชั่วโมง ≈ 9.6 วัน

โค้ดเหมือนกันทุกบรรทัด ต่างกันแค่บอร์ด อายุแบตต่างกันเกือบ 7 เท่า ตัวเลข 10 µA ใน datasheet คือของชิปเท่านั้น ไฟ LED บนบอร์ด ชิป USB-serial และ LDO ที่ datasheet ของ AMS1117 ระบุกระแสตัวเองไว้ราว 5 mA ไม่ได้หลับตามชิป

ถ้าจะใช้แบต วัดกระแสตอนหลับก่อนทำอย่างอื่น ตัวเลขนี้ตัดสินอายุแบตมากกว่าโค้ดทุกบรรทัด

ข้อผิดพลาดที่เจอบ่อย

• ต่อแบตลิเธียมเข้าขา 3V3 ตรง แบตเต็ม 4.2 V เกินพิกัด 3.6 V ของชิป
• ใช้แหล่งจ่ายเล็กเกิน หัวชาร์จหรือพาวเวอร์แบงก์บางรุ่นจ่ายกระแสพีกไม่ทัน บอร์ดรีเซ็ตตอนต่อ Wi-Fi
• จ่ายไฟหลายทางพร้อมกัน เสียบ USB ค้างพร้อมป้อนขา 5V จากแหล่งอื่น
• เชื่อตัวเลข 10 µA แล้วคำนวณอายุแบตจากค่านั้น โดยไม่วัดบอร์ดจริง
• ลืมว่าตื่นแล้วเริ่มใหม่ เก็บค่าในตัวแปรธรรมดาแล้วงงว่าทำไมนับไม่ขึ้น
• สายไฟเล็กและยาว แรงดันตกตามสายตอนกระแสพีก ใช้สายสั้นและใส่ตัวเก็บประจุใกล้บอร์ด (Espressif แนะนำอย่างน้อย 10 µF ที่ทางเข้าไฟ)

ถ้ายังไม่เคยคำนวณกระแสด้วย Ohm’s law ดูพื้นฐานได้ในบทต่อ LED กับ ESP32

แหล่งข้อมูล

• ESP32 Series Datasheet — Espressif
• ESP32 Hardware Design Guidelines: Schematic Checklist — Espressif
• ESP32-DevKitC User Guide — Espressif
• Sleep Modes (ESP-IDF) — Espressif
• AMS1117 800mA Low Dropout Voltage Regulator datasheet — Advanced Monolithic Systems