原理图设计 电源与地部分 USB/Battery 电源管理 外设模块电源管理 地平面分割管理 音频类芯片的设计规则 ESP32 模组的管脚配置 模组电源 模组使能 仅可用作输入的管脚 不建议用于其他功能的管脚 Strapping 及部分特殊管脚 版图设计 版图设计通用要点 PCB 层数 走线基础规则 布局要点 ESP32 模组在底板上的位置摆放 接插类器件位置摆放 芯片类器件位置摆放 电源、地及信号线走线要点 电源走线要点 地走线要点 信号线走线要点 www.espressif.com ESP32 ⾳频产品设计指南 版本 1.0 乐鑫信息科技 版权所有 © 2019 关于本⼿册! 本⽂档主要说明了在使⽤ ESP32 系列产品进⾏⾳频产品设计时需注意的事项。! 发布说明! ⽂档变更通知! ⽤户可通过乐鑫官⽹订阅⻚⾯ https://www.espressif.com/zh-hans/subscribe 订阅技术⽂ 档变更的电⼦邮件通知。! 证书下载! ⽤户可通过乐鑫官⽹证书下载⻚⾯ https://www.espressif.com/zh-hans/certificates 下载 产品证书。! ⽇期 版本 发布说明 2019.01 V1.0 ⾸次发布。 ⽬录! 1. 原理图设计 ..............................................................................................................................1 1.1. 电源与地部分" !..............................................................................................................................1 1.1.1. USB/Battery 电源管理" !..................................................................................................1 1.1.2. 外设模块电源管理" !.........................................................................................................2 1.1.3. 地平⾯分割管理" !.............................................................................................................2 1.2. ⾳频类芯⽚的设计规则" !...............................................................................................................3 1.3. ESP32 模组的管脚配置" !..............................................................................................................4 1.3.1. 模组电源" !........................................................................................................................4 1.3.2. 模组使能" !........................................................................................................................4 1.3.3. 仅可⽤作输⼊的管脚" !......................................................................................................4 1.3.4. 不建议⽤于其他功能的管脚" !...........................................................................................5 1.3.5. Strapping 及部分特殊管脚" !............................................................................................6 2. 版图设计 .................................................................................................................................8 2.1. 版图设计通⽤要点" !.......................................................................................................................8 2.1.1. PCB 层数" !......................................................................................................................8 2.1.2. ⾛线基础规则" !................................................................................................................8 2.2. 布局要点" !.....................................................................................................................................9 2.2.1. ESP32 模组在底板上的位置摆放" !..................................................................................9 2.2.2. 接插类器件位置摆放" !....................................................................................................11 2.2.3. 芯⽚类器件位置摆放" !....................................................................................................13 2.3. 电源、地及信号线⾛线要点" !......................................................................................................14 2.3.1. 电源⾛线要点" !..............................................................................................................14 2.3.2. 地⾛线要点" !..................................................................................................................15 2.3.3. 信号线⾛线要点" ...........................................................................................................17 1. 原理图设计! 1. 原理图设计! ⾳频产品电路图设计需注意以下三个⽅⾯：! • 电源与地部分；! • ⾳频类芯⽚的设计规则；! • ESP32 模组的管脚配置。! 1.1. 电源与地部分! 1.1.1. USB/Battery 电源管理! Wi-Fi 处于⼯作状态时，峰值电流较⼤，我司建议给模组的供电能⼒需在 500 mA 以上。 ⾳频板⼀般都需要外接电池，因此设计中需要⼀颗充电管理芯⽚，以便对电池进⾏充电。 充电管理芯⽚可根据实际需求进⾏选择，例如 AP5056。! 若使⽤电池为整个系统供电，即充电管理芯⽚的 VBAT （电池电源）管脚接⾄电池正极， 同时作为系统电源的输⼊，此时请务必确保电池是连接的状态。因为当充电管理芯⽚检测 到电池时，其输出的电流是规格书中的标称值，⽽当未检测到电池时，其输出的电流很 ⼩，可能出现电路供电不⾜的情况。! 针对上述问题，建议在设计中增加⼀组 USB/Battery 供电切换电路。例如下图：USB 插 ⼊时，VBAT 会与系统电源切断，默认 USB 供电，⽽当 USB 未插⼊时，VBAT 会供电。! ! 图 1-1. USB/Battery 供电管理模块电路! D- D+ USB_DP USB_DN TEMP GNDGND GND VBUS GND GND GND GND VBUS VBAT GND DCIN GND VBAT VBUS GNDGND VBUS BATTERY Charge Circuit: USB: 1.When USB is plugged in, DCIN will be only powered by USB. 2.Otherwise, DCIN is powered by VBAT. USB/Battery Switch: R174 100K(1%) D6 LESD5D5.0CT1G U11 AP5056 TEMP 1 PROG 2 GND 3 VCC 4 BAT 5 STDBY 6 CHRG 7 CE 8 PGND 9 J5 USB_CON8 VBUS 1 D- 2 D+ 3 GND 5 NC 4 GND 6 GND 7 GND 8 GND 9 R175 100K(1%) Q5 AO3401 J6 CON2 2 1 C117 10uF/16V(20%) R135 0R(5%) D4 RED LED D14 SS24 D7 LESD5D5.0CT1G R134 0R(5%) R133 1K(1%) C129 10uF/16V(20%) C116 100uF/6.3V(20%) C130 0.1uF/16V(10%) D8 GREEN LED R137 0R(5%) R136 1K(1%) D5 LESD5D5.0CT1G D3 1N5819HW-7-F C115 10uF/16V(20%) R132 1K(1%) Espressif /191 2019.01 1. 原理图设计! 1.1.2. 外设模块电源管理! ⾳频板上需要供电的设备⼀般包括：Wi-Fi 模块、Codec 模块、DSP 模块、PA 功率放⼤ 器模块、Micro SD 卡模块、LED 灯驱动模块等。其中，PA 功率放⼤器由 USB/Battery 直 接供电，⽽其他模块所需的电压⼀般都经由电源管理芯⽚转换后供给。! 建议每⼀个模块都预留⼀颗单独的电源管理芯⽚，以便可以采⽤独⽴供电，同时预留可供 选择的电阻。在调试过程中，根据实际测试结果，判断是否可以删除某些芯⽚。电源管理 芯⽚的选择需满⾜电路中输⼊输出电流电压、低噪声、效率等各个⽅⾯的需求，例如下 图：! ! 图 1-2. 外设模块电源管理电路! 1.1.3. 地平⾯分割管理! 对应上述所列的这些模块，需要根据实际情况将各⾃参考的地平⾯分割开。例如 Wi-Fi 模 组、Micro SD 卡参考的是数字 DGND；PA 功率放⼤器、外接喇叭参考的是模拟 AGND； Codec 模块、DSP 模块、LED 灯驱动等各个芯⽚⾃身也有需要区分的参考地平⾯；并且 建议将输⼊电源模块也区分开。这些地之间需要⽤ 0R 电阻（封装建议 0603 以上）短接 在⼀起，例如下图：! VCC GNDGND GND VDD33 3.3V/800mA Power Supply for ESP32: C205 0.1uF/16V(10%) C10 10uF/16V(20%) C11 0.1uF/16V(10%) R24 0R(5%) C12 22uF/10V(20%) U4 AP7361C-33-ER-7/13 GND 1 VOUT 2 VIN 3 Tab 4 Espressif /192 2019.01 1. 原理图设计! ! 图 1-3. 地平⾯分割管理电路! 1.2. ⾳频类芯⽚的设计规则! 每个芯⽚都有⾃身的设计规则，例如⼀些 Codec 对数字和模拟的区分要求⾮常严格，否 则会产⽣噪声；⼀些 DSP ⾃身就需要划分不同的参考地平⾯；⼀些 PA 功率放⼤器可以 ⽀持差分输⼊，⽽另⼀些只能⽀持单端输⼊等。! 例如下图：! 某⼀ DSP 的特殊设计规范：! ! 图 1-4. 某 DSP 地平⾯参考设计电路! 📖 说明： 这些芯⽚在设计时都需要参考各⾃的技术规格书或者原⼚提供的参考设计。 Espressif /193 2019.01 1. 原理图设计! 某⼀ Codec 的数模分割：! ! 图 1-5. 某 Codec 地平⾯参考设计电路! 1.3. ESP32 模组的管脚配置! ESP32 模组的管脚多数可以根据需求进⾏⾃主分配，灵活度较⾼，但仍有⼀些需要特别注 意的地⽅。! 1.3.1. 模组电源! 3.3 V 电源⼊⼝处，建议使⽤⼀颗 100 uF ⼤电容搭配⼀颗 0.1 uF ⼩电容，且靠近芯⽚电 源管脚摆放。! 1.3.2. 模组使能! 使能管脚 CHIP_EN 上建议连接⼀颗 10 K 的上拉电阻搭配⼀颗 1 uF 的对地电容，组成 RC 延时电路以避免 CHIP_EN 端上电电平不稳定；另外，CHIP_EN ⼀般都被⽤作模组的 复位，故建议将其连接⾄⼀颗实体按键，实现复位的操作。! 1.3.3. 仅可⽤作输⼊的管脚! ESP32 中有⼀些管脚仅具备输⼊功能，不能作输出使⽤，例如：CHIP_EN、 SENSOR_VP、SENSOR_CAPP、SENSOR_CAPN、SENSOR_VN、IO34、IO35 等。! 例如下图：! 📖 说明： • SENSOR_VP、SENSOR_CAPP、SENSOR_CAPN 和 SENSOR_VN 推荐作 ADC 检测使⽤，检测的电 压域推荐 0 V~2.5 V，⽽且该管脚在靠近 ESP32 端建议增加⼀颗 0.1 uF 的电容； • 在 ESP32 系列模组中，SENSOR_CAPP 和 SENSOR_CAPN 两个管脚没有连接出来，仅可使⽤ SENSOR_VP、SENSOR_VN。 Espressif /194 2019.01 1. 原理图设计! ! 图 1-6.ESP32 部分管脚配置参考电路! 1.3.4. 不建议⽤于其他功能的管脚! • SHD/SD2、SWP/SD3、SCS/CMD、SCK/CLK、SDO/SD0、SDI/SD1，已经⽤于连接 模组内部集成的 SPI Flash，不建议再⽤于其他功能；! • 在上述基础上，如选⽤ ESP32-WROVER 系列模组，GPIO16、GPIO17 还分别被⽤作 模组内部 PSRAM 的⽚选和时钟，故这两个 GPIO 也不建议再⽤于其他功能；! • TXD0/RXD0 为 UART0 管脚，⽤于烧录及通信，不建议再⽤于其他功能。! 例如下图：! NC 3.3V IO26 IO27 IO34 IO22 DGND IO12 IO17 IO16 DGND IO19 IO25 IO2 EN SENSOR_VP SENSOR_VN IO35 IO32 IO33 IO14 IO23 TXD0 RXD0 IO21 IO18 IO4 IO0 DGND IO13 SHD/SD2 SWP/SD3 SCS/CMD SCK/CLK SDO/SD0 SDI/SD1 IO15 IO5 Button_Array_ADC SENSOR_VP ENEN ESP_VDD33 DGND DGND DGND ESP_VDD33 DGND ESP32 Module: Close to Module C8 0.1uF/16V(10%) R162 0R(5%) U9 ESP32-WROOM-32D GND1 1 3V3 2 EN 3 SENSOR_VP 4 SENSOR_VN 5 IO34 6 IO35 7 IO32 8 IO33 9 IO25 10 IO26 11 IO27 12 IO14 13 IO12 14 GND3 38 IO23 37 IO22 36 TXD0 35 RXD0 34 IO21 33 NC 32 IO19 31 IO18 30 IO5 29 IO17 28 IO16 27 IO4 26 IO0 25 GND2 15 IO13 16 SD2 17 SD3 18 CMD 19 CLK 20 SD0 21 SD1 22 IO15 23 IO2 24 P_GND 39 SW1 1 1 2 2 3 3 4 4 C7 0.1uF/16V(10%) C113 1uF/16V(10%) C111 100uF/6.3V(20%) C112 0.1uF/16V(10%) R124 10K(5%) 📖 说明： ESP32 不能直接识别 USB，设计中需要⼀颗 USB 转 UART 的芯⽚，例如 CP2102-GM。该芯⽚的 UART 与 ESP32 的 UART0 互连，⼀⽅⾯⽤于对 ESP32 的烧录，另⼀⽅⾯作为与 PC 的交互接⼝。设计中，建 议为 TXD0、RXD0 预留测试点。 Espressif /195 2019.01 1. 原理图设计! ! 图 1-7. USB 转 UART 参考电路! 1.3.5. Strapping 及部分特殊管脚! • GPIO0 是 Strapping 管脚之⼀，上电复位过程中的电平状态与下载有关：! - “1”：进⼊ Flash 启动模式，且芯⽚默认为“1”；! - “0”：进⼊下载模式。! 同时 GPIO0 ⼜可以作为 MCLK 连接⾄其他芯⽚，所以不建议再⽤于其他功能。! • GPIO2 是 Strapping 管脚之⼀，上电复位过程中的电平状态也与下载有关：! - “0”：进⼊下载启动模式，且芯⽚默认为“0”；! 同时 GPIO2 ⼜可以作为 SDIO/MMC 的连接管脚之⼀，例如连接 SD 卡，所以不建议再⽤ 于其他功能。! 例如下图：! 📖 说明： 设计中，建议为 GPIO0、GPIO2 预留测试点，或者连接⼀颗按键，以便实现下载。 Espressif /196 2019.01 1. 原理图设计! ! 图 1-8. 下载按键参考电路! • GPIO12 是 Strapping 管脚之⼀，上电复位过程中的电平状态与芯⽚内置 LDO 输出电 压有关：! - “0”：输出 3.3 V，且芯⽚默认为 “0”；! - “1”：输出 1.8 V；! 同时 GPIO12 ⼜可以作为 SDIO/MMC 的连接管脚之⼀，例如连接 SD 卡；以及 JTAG 连 接管脚之⼀；所以不建议再⽤于其他功能，需要特别注意 GPIO12 上电复位过程中的电平 状态不可与 LDO 输出电压的需求相冲突。! • 具备 ADC 功能、DAC 功能、触摸板、SD 卡、JTAG、低功耗睡眠模式需求下的 RTC 域管脚等，这些都属于较特殊的管脚，在具体分配时，需要仔细参照《ESP32 技术规 格书》。! 📖 说明： 此电压值与模组内部集成 Flash、PSRAM 的供电电压相关。 Espressif /197 2019.01 2. 版图设计! 2. 版图设计! ⾳频产品版图设计需注意以下事项：! • 版图设计通⽤要点；! • 布局要点；! • 电源、地及信号线⾛线要点。! 2.1. 版图设计通⽤要点! 2.1.1. PCB 层数! 建议优先采⽤四层板，即：! • 第⼀层为 TOP 层：摆放 ESP32 模组及其他⼤部分芯⽚类器件；! • 第⼆层为 GND 层，只铺 GND 铜箔，保证完整的 GND 平⾯；! • 第三层为 POWER 层，⾛电源线及部分信号线；! • 第四层为 BOTTOM 层，也可以摆放器件，⾛电源线及信号线。! 2.1.2. ⾛线基础规则! ⾛线基础规则总结如下：! • ⾛线尽量路径最短，过孔最少，避免不必要的弯绕和穿孔；! • ⾛线需⾛钝⻆，尽量⼲净整洁，避免出现直⻆和锐⻆，避免在其中隐藏⼩线段；! • 晶振、⼤电感等敏感器件下⽅的所有层，应尽量避免穿线。! 例如下图：! 📖 说明： 器件可以根据实际情况摆放在 TOP 层或者 BOTTOM 层，但建议 ESP32 模组的相邻层设置为 GND 层， 即若 ESP32 模组摆在了 BOTTOM 层，建议将第三层设置为 GND 层，将第⼆层设置为 POWER 层。 Espressif /198 2019.01 2. 版图设计! ! 图 2-1. 不建议的⾛线示例! ! 图 2-2. 不建议的⾛线示例! 2.2. 布局要点! 2.2.1. ESP32 模组在底板上的位置摆放! 若条件允许，建议将模组 PCB 天线区域延伸出底板板框外，并将模组尽可能地靠近底板 板边放置，使天线的馈点距离板边距离最近，且天线同⽔平⽅向的区域尽量⼤。例如下 图：! Espressif /199 2019.01 2. 版图设计! ! 图 2-3. 模组位置摆放示例! 如上述⽅向受限⽽⽆法实⾏，则请确保模块不被任何⾦属外壳包裹，模块 PCB 天线区域 及外扩 15 mm 区域需净空（该区域范围内所有层严禁铺铜、⾛线、摆放元件）。例如下 图：! ! 图 2-4. 模组位置摆放示例! 📖 说明： 在图 2-3 中，ESP32 模组在底板上的位置建议如下： 位置 3：强烈推荐； 位置 4：推荐； 位置 1、2、5：不推荐。 Espressif /1910 2019.01 2. 版图设计! 模组天线区域需尽可能地远离其他模块尤其⾳频输出，建议成 180 度⽅向，如受限⽆法满 ⾜，⾄少成 90 度⽅向。例如下图：! ! 图 2-5. 模组位置摆放示例! 2.2.2. 接插类器件位置摆放! USB 接⼝、电池座⼦、电源开关、SD 卡、⽿机座⼦、外接⾳箱座⼦、调试排针、安装孔 等，这些器件的摆放需结合：! • 结构外形要求，便于安装；! • 便于实际的调试操作；! • 便于整体的布局⾛线。! 例如下图：! 📖 说明： 此类器件尤其需要注意接插的⽅向、管脚顺序、正负极性等，⽽且建议在丝印层进⾏⽂字标注。 Espressif /1911 2019.01 2. 版图设计! ! 图 2-6. 接插类器件摆放示例! ! 图 2-7. 接插类器件摆放示例! Espressif /1912 2019.01 2. 版图设计! 2.2.3. 芯⽚类器件位置摆放! 芯⽚类器件与其周边的外围器件建议摆放在⼀起，尤其是电源的滤波电容，必须尽可能地 靠近电源管脚摆放，且均匀分配，尽量让每⼀个电源管脚附近都有滤波电容，切不可全部 堆放在⼀个位置。! 参考地平⾯⼀致的模块、功能相关的模块建议就近摆放，便于⾛线及地平⾯的分割。例如 ⾳频的 Codec、PA 功率放⼤器、喇叭建议靠近；USB 接⼝、充电模块、电池接⼝建议靠 近。例如下图：! ! 图 2-8. 芯⽚类器件摆放示例! Espressif /1913 2019.01 2. 版图设计! ! 图 2-9. 芯⽚类器件摆放示例! 2.3. 电源、地及信号线⾛线要点! 2.3.1. 电源⾛线要点! 电源⾛线的宽度、换层的过孔都需达到电流的要求：! • 1 mm 的线宽约可以通过 1 A 的电流；! • ⼀颗钻孔 0.25 mm 焊盘 0.5 mm 的过孔约可以通过 500 mA 的电流；! • 如铺铜箔，需仔细检查电源路径上的宽度，防⽌出现为避让其他属性的⾛线或过孔 ⽽造成瓶颈；! Espressif /1914 2019.01 2. 版图设计! • 建议不同属性的电源⾛线之间⽤地线隔离，相邻层电源铺铜避免重叠在⼀起，以便 减⼩彼此的⼲扰。! 例如下图（红⾊、紫⾊为不同属性的电源铜，蓝⾊为地铜）：! ! 图 2-10. 电源⾛线示例! 2.3.2. 地⾛线要点! 不同类型的地平⾯需分割开，所有层保持分割线⼀致，中间相连的 0R 电阻周围多打地 孔。器件（尤其电源的滤波电容）GND 管脚就近位置尽量多加地孔。! 如芯⽚中间有散热焊盘，建议打 9 个以上地孔，且均匀分布。例如下图：! Espressif /1915 2019.01 2. 版图设计! ! 图 2-11. 地⾛线示例! ! 图 2-12. 地⾛线示例! Espressif /1916 2019.01 2. 版图设计! ! 图 2-13. 地⾛线示例! 2.3.3. 信号线⾛线要点! • I2C、I2S、UART，各⾃组内的⾛线需保持路径⼀致，线与线的间距尽量⼤⼀些，整组 与其他⾛线建议⽤地线隔离，如受空间限制⽆法满⾜，拉⼤彼此之间的间距；! • 复位信号⾛线尽量短，与其他⾛线⽤地线隔离或拉⼤间距，以减⼩⼲扰；! • ⾳频类输⼊输出信号线，需⽤地线包裹，周围多加地孔进⾏屏蔽；! • 触摸板的⾛线必须参考相关的指导规范，才能达到最佳的性能效果。! 例如下图（其中，蓝⾊为地铜）：! ! 图 2-13. UART ⾛线示例! Espressif /1917 2019.01 2. 版图设计! ! 图 2-13. ⾳频信号⾛线示例! ! 图 2-13. 触摸板⾛线示例$ Espressif /1918 2019.01 免责申明和版权公告 本⽂中的信息，包括供参考的 URL 地址，如有变更，恕不另⾏通知。 ⽂档“按现状”提供，不负任何担保责任，包括对适销性、适⽤于特定⽤途或⾮侵 权性的任何担保，和任何提案、规格或样品在他处提到的任何担保。本⽂档不 负任何责任，包括使⽤本⽂档内信息产⽣的侵犯任何专利权⾏为的责任。本⽂ 档在此未以禁⽌反⾔或其他⽅式授予任何知识产权使⽤许可，不管是明示许可 还是暗示许可。 Wi-Fi 联盟成员标志归 Wi-Fi 联盟所有。蓝⽛标志是 Bluetooth SIG 的注册商 标。 ⽂中提到的所有商标名称、商标和注册商标均属其各⾃所有者的财产，特此声 明。 版权归 © 2019 乐鑫所有。保留所有权利。 乐鑫 IoT 团队! www.espressif.com