ESP32-S3 PowerFeather V2 : รองรับแผงโซลาร์เซลล์ และแบตเตอรี่ LiFePO4

บอร์ด ESP32-S3 PowerFeather V2 เป็นบอร์ด IoT ที่ใช้ชิป ESP32-S3 รองรับการเชื่อมต่อ WiFi และ Bluetooth Low Energy (BLE) มาในฟอร์มเฟคเตอร์ของ Adafruit Feather โดยรองรับการใช้งานร่วมกับแบตเตอรี่ได้หลายประเภท ไม่ว่าจะเป็น LiFePO4/LFP, Li-Ion หรือ LiPo อีกทั้งยังรองรับอินพุตไฟ DC สูงสุด 18V สำหรับการเชื่อมต่อกับแผงโซลาร์เซลล์โดยตรงอีกด้วย

บอร์ดรุ่นนี้เป็นเวอร์ชันอัปเดตของ บอร์ด ESP32-S3 PowerFeather ที่เปิดตัวในปี 2024 ซึ่งเดิมรองรับการรับไฟจากแผงโซลาร์เซลล์ และแบตเตอรี่ Li-Ion รวมถึง LiPo โดยในรุ่น V2 นี้ การออกแบบโดยรวมแทบไม่แตกต่างจากเดิม แต่มีการอัปเกรดสำคัญคือเพิ่มชิปวัดสถานะแบตเตอรี่ Analog Devices MAX17260 (fuel gauge) และใช้วงจรแปลงไฟแบบ buck-boost รุ่น TPS631013 เพื่อรักษาแรงดัน 3.3V ให้คงที่ ส่งผลให้สามารถรองรับแบตเตอรี่ LiFePO4 ได้อย่างเต็มรูปแบบ ซึ่งแบตเตอรี่ลิเธียมไอรอนฟอสเฟต (LiFePO4) มีจุดเด่นคือความปลอดภัยสูงกว่าและมีอายุการใช้งานยาวนานกว่าแบตเตอรี่ Li-Ion หรือ LiPo แม้จะแลกมาด้วยความหนาแน่นพลังงานที่ต่ำกว่า

สเปคของ ESP32-S3 PowerFeather V2 :

ESP32-S3-WROOM-1-N8R2
- SoC – ESP32-S3
  - CPU – Dual-core Tensilica LX7 สูงสุด 240 MHz
  - หน่วยความจำ – SRAM 512KB, RTC SRAM 16 KB
  - การเชื่อมต่อไร้สาย – WiFi 4 ย่าน 2.4 GHz และ Bluetooth 5 LE + Mesh พร้อมสายอากาศ PCB ในตัว
- หน่วยความจำ – QSPI PSRAM ขนาด 2MB
- สตอเรจ – QSPI Flash ขนาด 8MB
USB – พอร์ต USB Type-C OTG อ
การขยาย
- 2x Headers 16 ขาระยะห่างพิทช์ 2.54 มม. พร้อม 23x multi-function GPIO:
  - UART, I2C, SPI, I2S, SDIO, PWM, CAN, RMT, กล้อง, จอ LCD
  - Analog – 6x สามารถอินพุตแบบแอนาล็อก
  - 5x สามารถป้อนข้อมูลแบบสัมผัสได้
  - 12x สามารถใช้งาน RTC (รองรับ Deep Sleep และ Wake-up Source)
  - อินพุตเซ็นเซอร์อุณหภูมิ Semitec 103AT บนรูเข็ม
- คอนเนกเตอร์ JST SH STEMMA QT แบบ 4 พิน พร้อม I2C
อื่น ๆ
- LED แสดงสถานะการชาร์จ (สีแดง), LED ของผู้ใช้ (สีเขียว)
- ปุ่ม User และ Reset
การจัดการพลังงาน
- พาวเวอร์ซัพพลาย
  - 5V/2A ผ่านพอร์ต USB-C (VUSB)
  - 3.8V ถึง 18V DC/2A ผ่าน VDC pin
  - สูงถึง 4.2V/2A ผ่านคอนเนกเตอร์แบตเตอรี่ JST PH Li-ion/LiPo 2 ขา; ตัวชาร์จแบตเตอรี่ BQ25628E
  - แรงดันไฟฟ้าคงที่ (สามารถใช้เพื่อตั้งค่าแรงดันไฟฟ้า MPP)
- เอาต์พุต
  - 3.3V สูงถึง 1A ที่ใช้ร่วมกันระหว่างบอร์ด, 3V3 header pin และคอนเนกเตอร์ VSQT STEMMA QT
  - 3.3V ถึง 4.2V สูงสุด 3A ที่ใช้ร่วมกันระหว่างบอร์ดและ VBAT header pin
  - 3.8V ถึง 18 V สูงสุด 2A ที่ใช้ร่วมกันระหว่างบอร์ดและ VS header pin
  - ใช้ตัวแปลงไฟ TPS631013 แบบ Buck-Boost เพื่อรักษาแรงดัน 3.3V ให้คงที่
- การตรวจสอบ
  - แหล่งจ่าย – การวัดกระแสและแรงดันไฟฟ้า, การตรวจจับแหล่งจ่ายไฟที่ดี
  - แบตเตอรี่ – รองรับการวัดแรงดัน กระแสชาร์จ/คายประจุ อุณหภูมิ การประเมินเปอร์เซ็นต์แบตเตอรี่ สุขภาพแบตเตอรี่ จำนวนรอบการชาร์จ รวมถึงการคำนวณเวลาใช้งานคงเหลือและเวลาชาร์จเต็ม โดยใช้ชิป MAX17260 fuel gauge ที่รองรับแบตเตอรี่ Li-Ion, LiPo และ LiFePO4
- การป้องกันแบตเตอรี่
  - ตัดการทำงานเมื่อแรงดันต่ำกว่า 2.2V และกลับมาทำงานที่ 2.4 V
  - ป้องกันแรงดันเกินที่ 4.37V และกลับมาทำงานที่ 4.28V
  - ป้องกันกระแสเกินที่ 3A
  - ระบบจับเวลาความปลอดภัยสำหรับ Trickle Charging ที่ 1 ชั่วโมง
  - ลดกระแสชาร์จตามอุณหภูมิด้วยมาตรฐาน JEITA และหยุดชาร์จเมื่ออุณหภูมิต่ำกว่า 0°C หรือสูงกว่า 50°C
- อื่นๆ – การเปิด/ปิดระบบ 3V3; การเปิด/ปิดระบบ VSQT, FeatherWing enable/disable
- สถานะพลังงาน – โหมด Ship Mode, Shutdown Mode และ Power Cycle
การใช้พลังงานโดยใช้ BATP (ประมาณ 3.7V) vs V1
- โหมด Deep-Sleep พร้อม Fuel Gauge เปิดใช้งาน – 24 μA เทียบกับ 26 μA (เริ่มต้น) และ 18.5 μA หลังนิ่ง)
- โหมด Deep-Sleep, พร้อม Fuel Gauge ปิดใช้งาน– 19 μA เทียบกับ 18 μA
- โหมด Ship Mode, พร้อม Fuel Gauge ปิดใช้งาน – 1 μA เทียบกับ 1.5 μA
- โหมด Shutdown, พร้อม Fuel Gauge ปิดใช้งาน – 1 μA เทียบกับ 1.4 μA
ขนาด – 65 x 23 x 7 มม. (ฟอร์มแฟกเตอร์ Adafruit Feather รองรับ Feather Wings) และมีรูยึดขนาด 2.5 มม. จำนวน 2 จุด

ESP32-S3 PowerFeather Pinout Diagram — Pinout diagram – ไม่มีการเปลี่ยนแปลงในรุ่น V2

ด้านการใช้พลังงานมีการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยจากการใช้ตัวแปลงไฟ (Regulator) และชิป Fuel Gauge รุ่นใหม่ แต่โดยรวมยังคงอยู่ในระดับใกล้เคียงกับรุ่นเดิม

นอกจากฮาร์ดแวร์แล้ว ยังมีการเปิดตัว PowerFeather-SDK V2 สำหรับพัฒนาโปรแกรมบนบอร์ดผ่าน Arduino IDE หรือเฟรมเวิร์ก ESP-IDF อีกด้วย โดยการเปลี่ยนแปลงสำคัญคือการเพิ่มการรองรับแบตเตอรี่ LiFePO4 ทั้งในส่วนการตั้งค่าระบบชาร์จและ Fuel Gauge ตัวอย่างโค้ดที่ให้มาสามารถรายงานข้อมูลแบตเตอรี่และแหล่งจ่ายไฟได้ทันที โดยนักพัฒนาไม่จำเป็นต้องกำหนดประเภทแบตเตอรี่เอง เพราะ SDK สามารถตรวจจับชนิดแบตเตอรี่ได้อัตโนมัติ, เอกสารของทั้งบอร์ด V1 และ V2 จัดทำไว้ค่อนข้างละเอียด ครอบคลุมตั้งแต่แนวทางลดการใช้พลังงาน การใช้งานร่วมกับแผงโซลาร์เซลล์ ไปจนถึงการสร้างอุปกรณ์ ESPHome สำหรับงานสมาร์ตโฮมและ IoT อีกด้วย

ESP32-S3 PowerFeather V2 direct solar panel connection — รองรับการเชื่อมต่อแผงโซลาร์เซลล์โดยตรง

ระหว่างที่ค้นหาบอร์ด ESP32 รุ่นอื่น ๆ ที่รองรับแบตเตอรี่ LiFePO4 โดยตรง เราแทบไม่พบบอร์ดทางเลือกเลย แต่กลับพบว่ามีผู้ใช้งานจำนวนไม่น้อยที่พยายามดัดแปลงให้บอร์ด ESP32 ของตนใช้งานร่วมกับแบตเตอรี่ประเภทนี้ จึงมองว่าฟีเจอร์ดังกล่าวน่าจะเป็นประโยชน์สำหรับหลายคน ก่อนหน้านี้เราเคยนำเสนอโซลูชันสำหรับ Raspberry Pi ที่รองรับแบตเตอรี่ LiFePO4 มาแล้วหลายรุ่น ไม่ว่าจะเป็น LiFePO4wered/Pi+ UPS HAT และล่าสุดกับ AQEX qUPS-P-BC-2.0 UPS HAT ซึ่งรองรับแบตเตอรี่ได้หลากหลายเคมี รวมถึงแบตเตอรี่ LFP (LiFePO4) ด้วยเช่นกัน

ราคาของบอร์ด ESP32-S3 PowerFeather V2 ยังคงเท่ากับรุ่น V1 โดยวางจำหน่ายบน $30 (~1,000฿) บน Elecrow เราได้สำรวจราคาของแบตเตอรี่ LiFePO4 เพิ่มเติม พบว่าราคาเริ่มต้นอยู่ที่ประมาณ $4(~130฿) สำหรับแบตเตอรี่ขนาด 3.2V ความจุ 7000mAh และอาจสูงขึ้นมากตามความจุและแรงดันไฟ

แปลจากบทความ : ESP32-S3 PowerFeather V2 board gains support for LiFePO4/LFP batteries