วิศวกรรมศาสตร์และอุตสาหกรรมวิจัย [มจธ.ปีการศึกษา46รอบ2]

การเพิ่มระยะเวลาการทำงานของแบตเตอรี่โดยการควบคุม การปรับแรงดัน (ระยะที่ 1)
Battery Run-time Enhancement using Voltage Scaling Regulation (Phase 1)

ดร.อนวัช แสงสว่าง
Anawach Sangswang. (Lecturer)
ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า คณะวิศวกรรมศาสตร์

ทุนวิจัยพระจอมเกล้าธนบุรี ปีการศึกษา 2546 รอบที่ 2 งบประมาณ 75,000 บาท
ทุนวิจัยพระจอมเกล้าธนบุรี ปีการศึกษา 2547 รอบที่ 2 งบประมาณ 75,000 บาท

ความสำคัญและที่มาของการวิจัย

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังมีบทบาทต่อชีวิตประจำวันของเรามากขึ้นทุกวัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพาซึ่งต้องอาศัยพลึ่งงานไฟฟ้าจากแบตเตอรี่ เช่น เครื่องโน้ตบุ๊กคอมพิวเตอร์ และโทรศัพท์มือถือ อุปกรณ์เหล่านี้ตัองอาศัยวงจรที่ใช้กำลังงานต่ำ (low power) เพื่อสามารถใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ได้ยาวนานที่สุด สำหรับวิธีการที่นิยมใช้ในการลดกำลังการสูญเสียทางไฟฟ้าคือ การออกแบบให้วงจรทำงานที่แรงดันต่ำที่สุดเท่าที่วงจรจะสามารถทำงานได้ทั้งนี้เนื่องจากความสิ้นเปลืองกำลัง (power dissipation) ของวงจรจะลดลงในรูปยกกำลังสองเท่าของแรงดัน แต่ข้อเสียของวิธีนี้คือสมรรถนะและความเร็วของวงจรจะลดลง ความสามารถในการทำงานที่ลดลงนี้จะถูกชดเชยโดยอาศัยการหาค่าความเหมาะสม (optimization) ทางสถาปัตยกรรมของวงจร และเทคนิคการออกแบบอี่นๆ การหาค่าความเหมาะสมนั้นสามารถทำได้ใน 2 ขั้นตอนคือ

1. ขั้นตอนการออกแบบ: ความสามารถที่ต้องการในการทำงานของวงจรสามารถออกแบบให้เกิดขึ้นได้ที่แรงดันต่ำสุด

2. ขณะใช้งาน: การปรบแรงดันแบบพลวัต (dynamic) ของวงจร เพื่อแลกเปลี่ยนดุลระหว่างสมรรถนะกับประ สิทธิภาพ

สำหรับทั้งสองกรณีที่กล่าวมาแล้วนั้น การออกแบบวงจรโดยทั่วไปมีสมมุติฐานอยู่ว่า แหล่งจ่ายแรงดันของวงจร สามารถกำหนดหรือตั้งให้มีค่าเท่าใดก็ได้โดยไม่มีผลกระทบใดๆ ต่อวงจรหรืออุปกรณ์ แต่ในทางปฎบัตินั้นสมมติฐาน เกี่ยวกับแหล่งจ่ายแรงดันขาดความสมเหตุสมผลอยู่ เนื่องจากแหล่งจ่ายพลังงานที่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มีอยู่นั้นคือ แบตเตอรี่เพียงอันเดียว ดังนั้นการจะทำให้สมมติฐานสมบูรณ์ได้ต้องอาศัยการเปลี่ยนระดับแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงที่ ใช้เลี้ยงวงจรอย่างมีประสิทธิภาพ

การควบคุมแรงดัน (voltage regulation) สามารถช่วยเพิ่มระยะการทำงานของแบตเตอรี่ (battey run-time) ได้ เนื่องจากแรงดันของแบตเตอรึ่ขณะที่มีประจุเต็มกับขณะประจุใกล้หมดมีความแตกต่างกันอยู่ ตัวอย่างเช่น แบตเตอรี่แบบ AA มีความแตกต่างของแรงดันประมาณ 20% ของแรงดันที่ระบุไว้ ดังนั้นในการออกแบบวงจรอิเล็กทรอนิกส์ให้มีแรงดันเหมาะสมในการทำงาน (optimal operating voltage) ให้มีขนาดเดียวกับแรงดันของแบตเตอรี่ขณะประจุใกล้หมด จะทำให้อุปกรณ์สามารถทำงานได้โดยไม่ต้องอาศัยอุปกรณ์สำหรับควบคุมแรงดัน แต่เนื่องจากแรงดันขณะคายประจุของแบตเตอรี่ไม่ได้มีลักษณะแบนราบหรือเป็นเชิงเส้น ดังนั้นการที่จะออกแบบให้วงจร อิเล็กทรอนิกส์สามารถทำงานได้ด้วยแรงดันในทุกสภาวะของแบตเตอรี่นั้นนอกจากจะเป็นงานที่ยากมากแล้วยังจะทำ ให้เกิดการสูญเสียภายในวงจรมากขึ้นโดยไม่จำเป็น เนื่องจากวงจรจะต้องทำงานที่แรงดันอื่นนอกเหนือจากแรงดัน เหมาะสมที่ถูกออกแบบมา ทำให้การสูญเสียที่เกิดขึ้นมากกว่าขณะอุปกรณ์ทำงานที่แรงดันเหมาะสม

การคอนเวอร์เตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง (DC-DC conveher) เป็นตัวเชื่อมโยงระหว่างแบตเตอรี่กับวงจร โดยแรง ดันทางด้านขาออกของคอนเวอร์เตอร์จะถูกรักษาให้อยู่ในระดับเดียวกับแรงดันของแบตเตอรี่ขณะที่ประจุใกล้หมดหรือระดับแรงดันที่เหมาะสมค่าอื่นๆ ก็จะสามารถทำให้การใช้กำลังไฟฟ้าของวงจรเป็นไปอย่างเหมาะสมและสามารถช่วยเพิ่มระยะการทำงานของแบตเตอรี่ได้เป็นอย่างมาก ด้วยเหตุผลดังกล่าวข้างต้นทำให้มีการติดตั้งคอนเวอร์เตอร์ไฟฟ้ากระเเสตรงอยู่ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เกือบทุกชนิด

โดยปกติแล้วความต้องการกำลังไฟฟ้าสำหรับฟังก์ชั่นดิจิตอลต่างๆ ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพาซึ่งอาศัยกำลังไฟฟ้าจากแบตเตอรี่จะอยู่ในระดับมิลลิวัตต์ ซึ่งอาจดูเหมือนไม่มากนักเมื่อเทียบกับส่วนอื่นๆ ในอุปกรณ์ แต่สำหรับอุปกรณ์แบบพกพาแล้วกำลังขนาดนี้มีความสำคัญมาก ตัวอย่างเช่น โทรศัพท์แบบเคลื่อนที่เมื่ออยู่ในโหมดเตรียมพร้อม (standby) ในขณะที่อุปกรณ์รับส่งคลื่นวิทยุซึ่งต้องการกำลังไฟฟ้าสูงถูกพัลส์ให้ทำงานด้วยรอบทำงาน (duty ratio) ต่ำ แต่ฟังก์ชั่นดิจิตอลเอนกประสงค์อื่นๆ กลับต้องทำงานอย่างต่อเนื่อง นั่นหมายถึงว่าบ่อยครั้งที่วงจรดิจิตอลกำลังต่ำเหล่านี้กลายเป็นตัวจำกัดระยะการใช้งานของแบตเตอรี่ และเนื่องจากในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพึ่งพานั้นความจุของแบตเตอรี่มีอยู่จำกัด การใช้พลังงานไฟฟ้าอย่างมีประสิทธิภาพจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง ดังนั้นคอนเวอร์เตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง ซึ่งเป็นส่วนประกอบหนึ่งในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จึงต้องมีการสูญเสียพลังงานไฟฟ้าในตัวมันเองน้อยที่สุดเท่าที่จะสามารถทำได้ การจัดการพลังงาน (power management) ก็เป็นอีกวิธีหนึ่งที่นิยมใช้ในอุปกรณ์ที่อาศัยพลังงานไฟฟ้าจากแบตเตอรี่ โดยส่วนของวงจรที่ไม่ได้ใช้งานในขณะใด ๆ จะถูกลดกำลังลง นอกจากนี้การใชสัญญาณนาฬิกา (clock) ในช่วงที่เครื่องเดินเปล่า (idle) ก็สามารถช่วยลดการสูญเสียลงได้ เทคนิคดังกล่าวนำมาซึ่งการเปลี่ยนแปลงของภาระ (load variation) ของคอนเวอร์เตอร์เป็นอย่างมาก โดยปกติแล้วคอนเวอร์เตอร์ทึ่นิยมใช้กันอยู่ทั่วไปนั้น ไม่ได้ถูกออกแบบมาให้ตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงภาระในระดับนี้ ดังนั้นการนำคอนเวอร์เตอร์มาใช้งานในลักษณะนี้จะต้องพิจารณาถึงการตอบสนองการเปลี่ยนแปลงของภาระด้วย สำหรับอุปกรณ์บางชนิดสภาวะเดินเครื่องเปล่าอาจมีเวลานาน ซึ่งก็หมายถึงความต้องการคอนเวอร์เตอร์ที่มีประสิทธิภาพสูงไม่จำกัดเฉพาะขณะที่มีภาระเต็ม (full load) เท่านั้นแต่ยังรวมไปถึงขณะที่มีการเปลี่ยนแปลงภาระมาก ๆ ด้วย

ทั้งนี้กำลังที่สูญเสียไปกับคอนเวอร์เตอร์เหล่านี้อยู่ในระดับ 40-50% ของกำลังที่ใช้ทั้งหมดของอุปกรณ์ ดังนั้นการพัฒนาคอนเวอร์เตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงที่มีการทำงานที่ระดับแรงดันต่ำให้มีประสิทธิภาพสูงขึ้นก็จะสามารถ ยืดระยะการใช้งานของแบตเตอรี่ได้ นอกจากนี้การพัฒนาให้คอนเวอร์เตอร์มีความสามารถในการตอบสนองต่อสภาวะ ชั่วครู่ (transient) ต่อการเปลี่ยนแปลงของภาระให้อยู่ในระดับที่น่าพอใจ จะช่วยปรับปรุงความน่าเชื่อถือ (reliability) ของอุปกรณ์ ยิ่งไปกว่านั้นถ้าเราสามารถพัฒนาให้ราคาและขนาดของคอนเวอร์เตอร์ลดลงได้ ก็จะมีพื้นที่เหลือสำหรับ แบตเตอรี่ที่มีขนาดใหญ่ขึ้น

วัตถุประสงค์ของโครงการ

โครงการวิจัยนี้จะทำการออกแบบและสร้างคอนเวอร์เตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงต้นแบบสำหรับยึดอายุการใช้งาน ของแบตเตอรี่โดยใช้การปรับแรงดัน (voltage scaling) ซึ่งจะรวมไปถึงการพัฒนาเทคนิคการออกแบบในระดับวงจรและระบบรวมทั้งการประยุกต์ใช้เทคนิคและแนวคิดต่าง ๆ ที่มีอยู่แล้ว เพื่อให้การใช้ประโยชน์ของคอนเวอร์เตอร์เป็นไปอย่างสูงสุดในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่อาศัยกำลังจากแบตเตอรี่

ประโยชน์ที่คาดว่าจะได้รับจากการวิจัย

เครื่องต้นแบบประสิทธิภาพสูง ซึ่งสามารถนำไปใช้ในการเพิ่มระยะเวลาการทำงานของแบตเตอรี่ใน อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์
ความรู้และเทคนิคต่าง ๆ ซึ่งสามารถนำไปใช้ในการออกแบบวงจรของคอนเวอร์เตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงประสิทธิภาพสูง เพื่อลดขนาดและต้นทุนของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่อไป