Espressif System ESP-WROOM-02! PCB 设计和模组摆放指南 1. 引⾔ ESP-WROOM-02 模组可以焊接到 PCB 底板上。为了使终端产品获得最佳的射频性能， 请注意根据本指南合理设计模组及天线在底板上的摆放位置。! 2. 天线摆放位置 ESP-WROOM-02 模组使⽤的是 2.4G Wi-Fi 频段的 MIFA 板载天线，增益为 2 dBi。图 1 展示了六种常⻅的天线摆放⽅式。以⽆底板的单独模块测得的射频参数为参考，其中⽅ 案 2 和⽅案 3 的测试结果最佳，⽅案 4、5 和 6 的测试结果⽋佳。" Espressif Systems # / # 2016.061 8 Espressif System 图 1：ESP-WROOM-02 板载天线摆放⽅式 ↑⽅案1：单独模块，⽆底板 ↑⽅案2：天线在板框外 ↑⽅案3：天线沿板边放置且下⽅挖空 ↑⽅案4：天线沿板边放置且下⽅均不铺铜 ↑⽅案5：天线板框内放置且下⽅挖空 ↑⽅案6：天线在板框内（下⽅未净空） Espressif Systems # / # 2016.062 8 Espressif System 3. 测试结果 以下为各种摆件⽅式下测得的 802.11n OFDM (MCS1-7) 不同信道的 Wi-Fi 功率以及 EVM 参数。其中 Power 越⼤表示发射出的功率越⼤，EVM 能全⾯衡量调制信号的幅度误差和 相位误差，EVM 越⼩（绝对值越⼤），信号质量越好。! ! 图 2：各种摆件⽅式下测得的 Wi-Fi 功率 📖 说明： 测试条件为 VBAT = 3.3V，25°C。 Wi-Fi 功率 0 5.5 11 16.5 22 MCS7 (C1) MCS7 (C6) MCS7 (C11) MCS6 (C1) MCS6 (C6) MCS6 (C11) MCS5 (C1) MCS5 (C6) MCS5 (C11) MCS4 (C1) MCS4 (C6) MCS4 (C11) MCS3 (C1) MCS3 (C6) MCS3 (C11) MCS2 (C1) MCS2 (C6) MCS2 (C11) MCS1 (C1) MCS1 (C6) MCS1 (C11) 方案 1 方案 2 方案 3 方案 4 方案 5 方案 6 Espressif Systems # / # 2016.063 8 单位：dBm Espressif System ! 图 3：各种摆件⽅式下测得的 EVM 参数 EVM 参数 -32 -24 -16 -8 0 MCS7 (C1) MCS7 (C6) MCS7 (C11) MCS6 (C1) MCS6 (C6) MCS6 (C11) MCS5 (C1) MCS5 (C6) MCS5 (C11) MCS4 (C1) MCS4 (C6) MCS4 (C11) MCS3 (C1) MCS3 (C6) MCS3 (C11) MCS2 (C1) MCS2 (C6) MCS2 (C11) MCS1 (C1) MCS1 (C6) MCS1 (C11) 方案 1 方案 2 方案 3 方案 4 方案 5 方案 6 表 1：各种摆件⽅式下测得的射频参数（单位：dBm） 选项 信道 EVM 功率 EVM 功率 EVM 功率 EVM 功率 EVM 功率 EVM 功率 摆件方式 方案 1 方案 2 方案 3 方案 4 方案 5 方案 6 802.11n OFDM (MCS7) 1 -30.8 13.96 -30.68 14.66 -31.55 13.65 -28.65 15.1 -27.84 14.4 -28.05 13.98 6 -29.61 13.48 -30.41 13.55 -30.46 15.29 -28.43 14.53 -27.77 11.87 -27.72 10.54 11 -30.93 12.96 -31.18 12.9 -30.4 15.55 -26.66 13.3 -28.03 10.3 -27.95 6.7 802.11n OFDM (MCS6) 1 -31.56 15.99 -31.29 16.17 -30.7 15.58 -23.85 17.03 -24.4 16.1 -22.83 15.79 6 -29.97 15.24 -30.03 15.37 -28.72 17.17 -24.35 16.19 -23.68 13.77 -24.01 12.14 11 -30.8 14.94 -29.47 14.91 -28.06 17.53 -22.73 14.96 -25 11.65 -24.92 8.07 802.11n OFDM (MCS5) 1 -30.87 17.02 -29.73 17.42 -29.94 16.56 -21.84 17.94 -21.31 17.22 -20.58 16.67 6 -29.73 16.19 -28.17 16.6 -26.87 18.13 -21.36 17.34 -21.7 14.67 -21.72 13 11 -29.73 15.89 -27.41 15.84 -24.91 18.49 -20.75 15.81 -21.52 12.86 -21.91 9.17 802.11n OFDM (MCS4) 1 -30.21 18.24 -26.16 18.59 -28.64 17.94 -18.19 19.33 -17.96 18.43 -17.1 17.83 6 -28 17.66 -24.89 17.78 -24.22 19.59 -17.8 18.71 -18.11 15.94 -18.28 14.21 11 -26.88 17.34 -24.42 17.04 -21.23 19.77 -17.52 16.98 -18.34 14.02 -19.33 10.12 Espressif Systems # / # 2016.064 8 Espressif System 从上述图表可以看出：! • ⽅案 1、2 和 3 的射频性能⽐较接近。即天线在板框外，或者天线沿板边放置且下⽅ 挖空的摆件⽅式（PCB 天线两边距离底板两边⾄少 5.0 mm 以上）对于射频性能没 有太⼤影响，与模组单独测试射频性能相当。! • 如果设计受限于必须将 PCB 天线放在底板上，请参考⽅案 4 的摆件⽅式，即天线沿 板边放置且下⽅均不铺铜。此种⽅式射频性能会有⼀些损失。! • ⽅案 6 的射频性能最差。由于天线放在底板内，射频信号不能很好地辐射和接收。! 4. 滤波和降噪 ⽆线通信芯⽚的良好性能依赖于精确的时钟信号和稳定的电源供应。要确保最佳的供电性 能，必须在 PCB 设计时采⽤滤波和降噪⼯艺。我们建议在 PCB 设计中遵循以下规则：! • 滤波电容：可以使⽤滤波电容来消除电源噪声（低频噪声）。建议在靠近电源转换芯 ⽚的地⽅放置⼀个 10 uF 或以上的电容。要选择最合适的滤波电容，请参考电源转换 芯⽚的数据⼿册。! • 旁路电容：旁路电容为电源轨的⾼频变化提供低阻抗的通路，对降噪起到关键作⽤。 建议⽤户使⽤多个旁路电容。ESP-WROOM-02 内部电源已添加了多个电容，因此外 置⼀个 10 uF 以上的低 ESR 电容即可满⾜需求。请注意外置的电容必须尽量靠近模组 的电源管脚放置。! 802.11n OFDM (MCS3) 1 -27.44 19.11 -23 19.44 -25.53 19.12 -16.43 20.1 -15.6 19.2 -15.33 18.48 6 -25.77 18.55 -22.34 18.62 -20.83 20.82 -15.62 19.52 -16.1 16.69 -16.36 14.93 11 -25.54 17.94 -21.59 17.86 -17.88 20.76 -15.35 17.91 -16.72 14.64 -17.04 10.83 802.11n OFDM (MCS2) 1 -27.49 18.91 -23.13 19.29 -25.55 18.98 -16.5 20 -15.72 19.06 -15.41 18.25 6 -26.14 18.35 -22.37 18.47 -20.84 20.67 -15.71 19.42 -16.2 16.54 -16.36 14.67 11 -25.54 17.77 -21.96 17.7 -18.16 20.6 -15.52 17.81 -16.93 14.39 -17.34 10.56 802.11n OFDM (MCS1) 1 -24.63 19.7 -19.71 20.37 -23.61 19.77 -14.89 20.62 -14.61 19.39 -13.84 18.69 6 -24.32 19.02 -19.44 19.42 -18.74 21.41 -14.32 19.88 -14.54 17.13 -14.7 15.13 11 -23.04 18.65 -19.02 18.55 -16.2 21.17 -14.07 18.31 -15.11 14.93 -15.57 11.03 选项 信道 EVM 功率 EVM 功率 EVM 功率 EVM 功率 EVM 功率 EVM 功率 摆件方式 方案 1 方案 2 方案 3 方案 4 方案 5 方案 6 Espressif Systems # / # 2016.065 8 Espressif System • 关键⾛线：为了避免误触发和故障的发⽣，PCB 上的关键⾛线，例如复位线等，与其 它信号线的距离必须在⾛线线宽的三倍以上。复位线⾛线最好靠近固定电压层，⽐如 接地层。! • ⾛线线宽：建议电源⾛线尽量宽些。ESP-WROOM-02 模组在满负荷运⾏的时候需要 消耗⼤量的电流。! 5. 外围信号⾛线 本⼿册所提到的信号⾛线是指任何连接⾄ ESP-WROOM-02 的数字外设的传输信号⾛ 线。ESP-WROOM-02 模组集成了⾼速外设接⼝，包括 HSPI 和 I2S。⾛线必须谨慎，以 防⽌信号失真并保证信号的完整性。! • 串扰：信号线距离过近可能会造成电感和电容耦合。建议信号线之间的距离⾄少为⾛ 线线宽的两倍。% 对于关键的系统信号线，例如复位线和外部中断线，⾛线之间的距离则⾄少应为⾛线 线宽的三倍。! • ⾛线⻓度：⾼频信号线必须尽量短以减少对其它⾛线的⼲扰并避免拾取噪声。数据总 线上的⾛线⻓度最好⼀致。例如，SPI 接⼝的 SCK、MOSI 和 MISO ⾛线应该尽量⻓ 度⼀致。! • ⾛线拐⻆：为避免直⻆⾛线（尤其是对于时钟⾛线⽽⾔），可采⽤ 135 o ⻆或圆弧⾛线 （如图 4 中上半部分所示），这样可以防⽌直⻆⾛线（如图 4 中下半部分所示）时产 ⽣信号反射。! Espressif Systems # / # 2016.066 8 Espressif System ! 图 4：⾛线拐⻆ • 过孔：⾼速时钟⾛线应尽量避免过孔。! • 返回路径：为了低 EMI 的设计，所有信号线的返回路径都应该尽可能地短。! • 开关噪声控制：ESP-WROOM-02 集成了⾼速 GPIO 和外设接⼝，这可能会产⽣严重 的开关噪声。如果⼀些应⽤对于功耗和 EMI 特性要求较⾼，建议在数字 I/O 线上串联 10 ～ 100 欧姆的电阻。这样可以在开关电源时抑制过冲，并使信号变得平稳。串联电 阻也能在⼀定程度上防⽌静电释放（ESD）。! 6. 地层 • 推荐做法：为了减⼩ PCB 底板上的信号回流路径，⾼速信号线必须⾛在地层之上。这 样可以使 PCB 辐射电磁⼲扰噪声降到最⼩。另外，最好在 PCB 板上使⽤⾯积较⼤且 完整的地层。为了利于散热，必须将 ESP-WROOM-02 模组的焊盘连接到主板上。! • 双地层：如果设计中包含模拟元件或模数转换器（ADC），则最好把数字地和模拟地 分开。这样也会确保消除 ADC 输⼊噪声。但是请注意数字地和模拟地不能重叠或直接 相连。数字地和模拟地都要有专⻔的⾛线连接到电源地。! Espressif Systems # / # 2016.067 8 Espressif System • 分割地平⾯：地平⾯的分割不会造成严重的噪声或 EMI 现象。但是，在分割的、不相 连的地平⾯上⾛线会形成⼤的回流路径，可能会产⽣ EMI 辐射⼲扰。! 7. 总结 我们建议将模组沿 PCB 板边放置，天线在板框外或者沿板边放置且下⽅挖空。将 PCB 天 线放在底板上也是允许的，只要天线下⽅不铺铜即可。要获得最佳的产品性能，请按照 第 2 章中⽅案 2 和 3 来摆放模组。! 良好的摆件和布线⽅式可以帮助⽤户使⽤ ESP-WROOM-02 模组进⾏稳定可靠、⽅便⾼ 效的系统设计。 Espressif Systems # / # 2016.068 8