Полное руководство по проектированию оборудования ESP32-P4: Схематическое изображение, Компоновка печатной платы, Периферийные устройства & Ключевые ловушки, которых следует избегать

ESP32-P4 — это высокопроизводительная мультимедийная SoC RISC-V, выпущенная Espressif., оснащен двухъядерными высокопроизводительными процессорами RISC-V + независимое маломощное ядро ​​LP. Он интегрирует аппаратное кодирование H.264., Интерфейс камеры MIPI-CSI, Интерфейс дисплея MIPI-DSI, USB 2.0 ОТГ, Ethernet RMII, и широкий спектр другой периферии. Он широко используется в промышленных HMI., краевое зрение, умные дисплеи, робототехника, медицинское оборудование, и другие приложения.

При работе на ESP32-P4 разработка аппаратного обеспечения, многие инженеры могут легко столкнуться с проблемами, связанными с электропитанием, кварцевый генератор, высокоскоростные сигналы MIPI, обвязочные булавки, Блок питания PSRAM/Flash, и другие области. На основе официальных рекомендаций по проектированию оборудования Espressif., в этой статье представлен полный обзор схемы ESP32-P4., Разводка печатной платы, периферийные схемы, общие проблемы, и контрольный список проектирования оборудования. Он подходит в качестве справочного материала для инженеров по аппаратному обеспечению во время проектирования на уровне продукта..

Примечание: В новых разработках должна использоваться версия чипа v3.0 или более поздняя.. Версии v1.0/v1.3 имеют различия в определениях контактов и не рекомендуются для новых проектов..

1. Основные аппаратные особенности ESP32-P4

• Основной: Двухъядерный процессор HP RISC-V до 400 МГц; LP одноядерный RISC-V на 40 МГц, с независимой маломощной системой
• Память: 768 КБ HP L2MEM, 32 КБ ЛП СОЗУ; поддерживает встроенный / внешняя PSRAM (16 МБ/32 МБ) и SPI-флэш
• Высокоскоростные интерфейсы: МИПИ-CSI (камера), МИПИ-ДСИ (отображать), USB 2.0 ОТГ, RMII Ethernet, СДИО 3.0
• Периферийные устройства общего назначения: УАРТ, I2C, СПИ, АЦП, сенсорные датчики, и 55 GPIO; все используют 3.3 Ввод/вывод. 5 Входное напряжение V строго запрещено
• Важный: Сам чип ESP32-P4 не включает Wi-Fi/BLE. Если требуется беспроводное соединение, внешний Wi-Fi 6 / Bluetooth-модуль (например ESP32-C6) необходимо добавить.

2.Ключевые моменты для схематического проектирования

2.1 Проектирование системы электропитания

ESP32-P4 имеет несколько независимых доменов питания., включая HP, LP, ИО, аналоговый, и источники питания Flash/PSRAM. Его нельзя просто питать от одного 3.3 V силовая шина.

1. Основной источник питания
   • Чип рекомендует 3.3 В-вход, с пиковым током, превышающим 380 мА. Источник питания DCDC должен обеспечивать достаточный запас по току.. Не рекомендуется использовать LDO напрямую для подачи основного питания чипа..
   • Контакты питания включают в себя: ВДД_ХП, ВДД_ЛП, ВДД_БАТ, ВДД_АНА, несколько контактов VDD_IO, VDD_FLASHIO, и VDD_PSRAM_0/1.
   • Поместите 0.1 Керамический развязывающий конденсатор мкФ рядом с каждым контактом питания. Добавить 10 Конденсатор мкФ на входе основного питания. Для блока питания PSRAM/Flash IO требуется комбинация 0.1 мкФ + 1 конденсаторы мкФ, размещается как можно ближе к чип-площадкам.
2. Блок питания Flash и PSRAM
   • VDD_FLASHIO: Блок питания флэш-ввода-вывода, с диапазоном напряжения 1,65–3,6 В;
   • VDD_PSRAM_0/1: Блок питания ввода-вывода PSRAM, со стандартным напряжением 1.8 В и диапазон 1,65–1,95 В.. Он должен иметь независимый регулятор напряжения и не может быть подключен напрямую к 3.3 В. В противном случае, PSRAM может работать неправильно, вызывая сбои системы или повреждение данных.
3. Аналоговый источник питания VDD_ANA
   • Аналоговый источник питания требует отдельной фильтрации.. Поместите 0.1 Конденсатор мкФ расположен близко к выводу и держите его как можно дальше от импульсных помех источника питания..

Распространенная ошибка: Подключение PSRAM IO напрямую к 3.3 V может привести к нераспознаванию PSRAM и сбою загрузки системы..

2.2 Схема часов

1. Основной кварцевый генератор (Необходимый): 40 МГц, Точность ±10 ppm. Кварцевые генераторы с другими частотами использовать нельзя.. Прошивка поддерживает только 40 Внешний кварцевый генератор МГц.
   • Для контактов XTAL_P и XTAL_N, подключить внешние нагрузочные конденсаторы. Рассчитайте емкость нагрузки в соответствии с таблицей данных кварцевого генератора и включите в расчет паразитную емкость печатной платы.. Рекомендуется зарезервировать позиции для регулируемых конденсаторов, чтобы их можно было изменить во время последующей отладки..
2. Кварцевый генератор RTC (Необязательный): 32.768 кГц, используется для синхронизации времени RTC. Рекомендуется для приложений с низким энергопотреблением для повышения точности синхронизации времени сна..

2.3 Вспышка & Схема PSRAM

1. SPI-вспышка: Для контакта CS рекомендуется использовать подтягивающий резистор.. Бронировать 0 Расположение резисторов Ом на сигнальных линиях SPI для облегчения регулировки синхронизации сигнала и подавления помех во время последующей отладки..
2. ПСРАМ: Если используется Octal-SPI PSRAM, убедитесь, что напряжение ввода-вывода строго соответствует 1.8 В. Сходным образом, бронировать 0 Резисторы Ом на сигнальных линиях.
3. Размещайте развязывающие конденсаторы рядом с контактами питания всех устройств памяти..

2.4 Обвязка контактов конфигурации загрузки

Контакты для связывания определяют режим загрузки чипа, например режим Flash-загрузки и загрузки. Эти контакты должны быть правильно настроены аппаратно и не могут оставаться плавающими.. Плавающие контакты могут привести к сбою нормальной загрузки чипа или неправильному переходу в режим загрузки..

• Обратитесь к официальной схеме Espressif и настройте подтягивание. / подтягивающие резисторы для обвязочных штифтов;
• Не используйте повторно контакты для связывания в качестве GPIO общего назначения, чтобы избежать помех во время включения питания, которые могут повлиять на режим загрузки..

2.5 Схема сброса

ESP32-P4 имеет встроенную функцию сброса.. При необходимости также можно добавить внешнюю микросхему сброса.. Обратите внимание на логический уровень вывода сброса и не подключайте его неправильно к высокому уровню., так как это может помешать правильному сбросу чипа.

2.6 Схемы высокоскоростных периферийных устройств

МИПИ-CSI (Камера) / МИПИ-ДСИ (Отображать)

• Для дифференциальных сигналов MIPI требуется внешний опорный резистор REXT.. Резистор должен быть включен в схему.; в противном случае, интерфейс MIPI не будет работать.
• Дифференциальные пары CSI/DSI должны быть спроектированы как согласованные пары на схеме., и печатная плата должна строго контролировать дифференциальное сопротивление, чтобы 100 Ом ±10%.

USB 2.0 ОТГ

• Для контактов USB DP/DM, версия чипа v3.0 добавляет 1 Подтягивающий резистор МОм к выводу DP. Убедитесь, что он настроен в соответствии с официальной схемой.; в противном случае, Перечисление USB может завершиться неудачно, и прошивка не может быть загружена..

RMII Ethernet

• Тактовый сигнал RMII является входным сигналом.. Если 50 Требуется тактовый выход МГц, тот REF_50M_CLK_PAD следует использовать булавку.
• Резервные последовательные резисторы на линии тактирования RMII для настройки сигнала..
• Выводы RMII можно переназначить с помощью программного обеспечения., поэтому сопоставление контактов должно быть подтверждено.

SDIO-интерфейс

SDIO используется для TF-карт.. Обратите внимание на источник питания и уровни напряжения.. Напряжение ввода-вывода 3.3 В, и трассы сигнала должны быть проложены с надлежащим контролем импеданса, чтобы избежать отражения сигнала..

3.Дизайн печатной платы

В этой главе представлены ключевые моменты проектирования печатной платы ESP32-P4 с использованием Плата разработки ESP32-P4 в качестве примера.

Учитывая качество связи по высокоскоростным сигнальным линиям и возможные помехи ВЧ-модулю, пожалуйста, используйте как минимум четырехслойную печатную плату, следующее:

• Слой 1 (ВЕРШИНА): Трассы сигнала и компоненты.
• Слой 2 (Земля): Здесь нет следов сигнала, что обеспечивает полную плоскость GND..
• Слой 3 (ВЛАСТЬ): Проложите сюда следы питания. Если возможно, проложите здесь высокоскоростные трассы сигналов и обеспечьте полную опорную плоскость.
• Слой 4 (НИЖНИЙ): Проложите сюда некоторые трассировки сигнала.

Источник питания

• Всякий раз, когда это возможно, проложить силовые дорожки на внутренних слоях (не нижний слой) и подключите их к выводам микросхемы через переходные отверстия. Убедитесь, что провода питания окружены заземляющей медью..
• Ширина трассы для 3.3 Напряжение основного источника питания должно быть не менее 25 мил.
• Для трасс питания VDD_LP, ВДД_IO_0, ВДД_IO_4, ВДД_IO_5, ВДД_IO_6, VDD_BAT и VDD_ANA, используйте ширину трассы не менее 10 мил. Поместите 10 Конденсатор мкФ на входе питания для этой серии блоков питания и 0.1 Конденсатор мкФ для каждого контакта питания.
• Ширина трассы основного источника питания VDD_HP_0., VDD_HP_1, ВДД_HP_2, и VDD_HP_3 должно быть не менее 20 мил. Поместите 10 Конденсатор мкФ на входе питания для этой серии блоков питания и 0.1 Конденсатор мкФ для каждого контакта питания.
• Для VDD_LDO и VDD_DCDCC, которые выдерживают более высокий ток, используйте ширину трассы не менее 20 мил и поместите 10 Конденсатор мкФ рядом с каждым контактом питания.
• Рекомендуется использовать метод звездообразной маршрутизации для распределения трасс питания по каждому выводу питания..
• Поскольку источник питания VDD_HP по умолчанию полностью контролируется изнутри ESP32-P4., внешний DCDC должен быть размещен близко к чипу, чтобы гарантировать, что входной сигнал, выход, и петли обратной связи максимально короткие.

Кристалл

На рисунке ESP32-P4 Crystal Layout показана эталонная схема печатной платы конструкции кристалла..

Расположение кристалла должно соответствовать приведенным ниже рекомендациям.:

• Обеспечьте полную плоскость GND для кристалла и чипа..
• Кристалл следует располагать подальше от тактового контакта, чтобы избежать помех в микросхеме.. Зазор должен быть не менее 4.5 мм. Хорошей практикой является добавление заземляющих переходов высокой плотности, сшивающих тактовую дорожку для лучшей изоляции..
• Не должно быть переходных отверстий для входных и выходных дорожек тактового сигнала..
• Компоненты, включенные последовательно с кристаллической дорожкой, должны располагаться близко к стороне кристалла..
• Внешние согласующие конденсаторы следует размещать с двух сторон кристалла., желательно в конце тактовой дорожки, но не подключен непосредственно к последовательным компонентам. Это делается для того, чтобы заземляющая площадка конденсатора была близка к заземляющей площадке кристалла..
• Не прокладывайте следы высокочастотного цифрового сигнала под кристаллом.. Рекомендуется не прокладывать следы сигнала под кристаллом.. Переходные отверстия на дорожках питания по обе стороны от тактовой дорожки кристалла должны располагаться как можно дальше от тактовой дорожки., и две стороны тактовой дорожки должны быть окружены заземляющей медью.
• Поскольку кристалл является чувствительным компонентом, не размещайте рядом какие-либо магнитные компоненты, которые могут вызвать помехи., например, большая составляющая индуктивности, и убедитесь, что вокруг кристалла имеется полная заземляющая плоскость большой площади..

USB

Расположение USB должно соответствовать следующим рекомендациям.:

• Зарезервируйте место для резисторов и конденсаторов на дорожках USB рядом с ESP32-P4..
• Используйте дифференциальные пары с дифференциальным сопротивлением 90 Ом с допуском ±10 %. Используйте дифференциальные пары и прокладывайте их параллельно на одинаковой длине..
• Дифференциальные трассы USB должны быть максимально минимизированы за счет переходов, чтобы обеспечить лучший контроль импеданса и избежать отражений сигнала.. Если необходимы переходные отверстия, добавьте пару переходных отверстий заземления в каждой точке перехода.
• Убедитесь, что существует непрерывный эталонный слой. (рекомендуется слой грунта) под следами USB.
• Окружите провода USB заземлённой медью.

СДИО

Макет SDIO должен соответствовать приведенным ниже рекомендациям.:

• Минимизируйте паразитную емкость трасс SDIO, поскольку они связаны с высокоскоростными сигналами..
• Длина трассировки SDIO_CMD и SDIO_DATA0 ~ SDIO_DATA3 должна находиться в пределах ±50 мил от длины трассировки SDIO_CLK.. При необходимости используйте извилистую маршрутизацию..
• Для маршрутизации SDIO, поддерживать 50 Несимметричный импеданс Ом с допуском ±10 %.
• Сохраняйте общую длину трассировки от SDIO GPIO до главного интерфейса SDIO как можно короче., в идеале внутри 2000 мил.
• Убедитесь, что трассировки SDIO не пересекают уровни.. Кроме, базовая плоскость (желательно наземный слой) должны быть помещены под следы, и непрерывность базовой плоскости должна быть обеспечена.
• Рекомендуется окружить дорожку SDIO_CLK заземляющей медью..
• Для многослойных конструкций печатных плат, рекомендуется прокладывать дорожки SDIO на внутренний слой через переходные отверстия сразу после их извлечения из чипа. Это помогает минимизировать помехи в высокоскоростных сигнальных линиях.. Добавьте пару переходных отверстий заземления в каждой точке перехода..

Сенсорный датчик

ESP32-P4 предлагает до 14 емкостные модули ввода-вывода, которые обнаруживают изменения емкости сенсорных датчиков из-за контакта пальцев или близости. Внутренняя схема определения емкости чипа отличается низким уровнем шума и высокой чувствительностью.. Это позволяет использовать сенсорные панели меньшей площади для реализации функции обнаружения касания.. Вы также можете использовать массив сенсорной панели для обнаружения большей площади или большего количества контрольных точек..

На рисунке ESP32-P4 типичное применение датчика касания показано типичное применение датчика касания..

Для предотвращения емкостной связи и других электрических помех на чувствительности сенсорной системы., следует учитывать следующие факторы.

Схема электрода

Правильный размер и форма электрода улучшают чувствительность системы.. Круглый, овал, или формы, похожие на кончик пальца человека, обычно применяются. Большой размер или неправильная форма могут привести к неправильным ответам соседних электродов..

На рисунке ESP32-P4 «Требования к расположению электродов» показаны правильный и неправильный размер или форма электрода.. Обратите внимание, что примеры, показанные на рисунке, не соответствуют реальному масштабу.. В качестве эталона предлагается использовать кончик пальца человека..

Компоновка печатной платы

На рисунке ESP32-P4 «Требования к маршрутизации дорожек датчиков» показаны общие рекомендации по прокладке дорожек датчиков.. Конкретно,

• Трасса должна быть как можно короче и не длиннее 300 мм.
• Ширина трассы (Вт) не может быть больше, чем 0.18 мм (7 мил).
• Угол выравнивания (Р) не должен быть меньше 90°.
• Зазор между трассой и землей (С) должно находиться в пределах 0.5 мм до 1 мм.
• Диаметр электрода (Д) должно находиться в пределах 8 мм до 15 мм.
• Вокруг электродов и дорожек следует добавить заштрихованную землю..
• Следы должны быть хорошо изолированы и проложены вдали от антенны..

Водонепроницаемый дизайн с датчиком приближения

Сенсорный датчик ESP32-P4 имеет водонепроницаемую конструкцию и функцию датчика приближения.. На рисунке ESP32-P4 конструкция с водонепроницаемостью и датчиками приближения показан пример схемы конструкции с водонепроницаемостью и датчиками приближения..

Обратите внимание на следующие рекомендации, чтобы лучше реализовать водонепроницаемость и датчик приближения.:

• Рекомендуемая ширина экрана защитного электрода составляет 2 см.
• Используйте сетку на верхнем слое с шириной трассы 7 мил и ширина сетки 45 мил (25% наполнять). Заполненная сетка подключена к сигналу драйвера экрана..
• Используйте сетку на нижнем слое с шириной трассы 7 мил и ширина сетки 70 мил (17% наполнять). Заполненная сетка подключена к сигналу драйвера экрана..
• Защитный датчик должен иметь форму прямоугольника с закругленными краями и окружать все остальные датчики..
• Рекомендуемая ширина защитного датчика составляет 2 мм.
• Рекомендуемый зазор между защитным датчиком и датчиком экрана составляет 1 мм.
• Расстояние срабатывания датчика приближения прямо пропорционально площади датчика приближения.. Однако, увеличение зоны чувствительности приведет к увеличению шума. Для оптимизации производительности необходимо фактическое тестирование..
• Рекомендуется, чтобы форма датчика приближения была замкнутой.. Рекомендуемая ширина 1.5 мм.

4. Распространенные аппаратные ошибки

1. ❌ Подключение PSRAM IO напрямую к 3.3 В: PSRAM требует 1.8 В источник питания. Непосредственное подключение к нему 3.3 V приведет к сбою распознавания и ненормальному запуску системы..
2. ❌ Использование кварцевого генератора, отличного от 40 МГц: Прошивка ESP32-P4 поддерживает только 40 Внешний кварцевый генератор МГц. Другие частоты не будут работать..
3. ❌ Оставляя штифты плавающими: Это может привести к неправильному режиму загрузки чипа и препятствовать загрузке чипа с флэш-памяти..
4. ❌ Никакого дифференциального управления или согласования длины для маршрутизации MIPI.: Это может привести к повреждению изображения с камеры., дисплей мерцает, или нет вывода на дисплей.
5. ❌ Недостаточный ток источника питания: Чип может сбросить настройки или выйти из строя при больших нагрузках.. Источник питания DCDC должен иметь достаточный запас по току..
6. ❌ Использование старых версий чипов v1.0/v1.3 для новых проектов.: Их определения контактов отличаются от версии 3.0., и им известны аппаратные ошибки. В новых проектах приоритет должен быть отдан версии 3.0 или новее..
7. ❌ Применение 5 V-вход для GPIO: Все GPIO предназначены для 3.3 V логические уровни. Применение 5 Вход V может повредить чип.

5. Контрольный список проектирования оборудования (Схематическое изображение + печатная плата)

Схематический контрольный список

• Используйте версию чипа v3.0 или новее.
• Убедитесь, что все домены питания реализованы правильно., с PSRAM IO на 1.8 В
• Используйте 40 Кварцевый генератор МГц; Кварцевый генератор RTC не является обязательным.
• Правильно настройте все обвязочные штифты без плавающих штифтов.
• Убедитесь, что все конденсаторы развязки питания флэш-памяти и PSRAM установлены правильно.
• Убедитесь, что опорный резистор MIPI REXT подключен.
• Настройте резисторы USB DP/DM в соответствии с версией чипа v3.0.
• Убедитесь, что все операции ввода-вывода используют 3.3 В, без прямого 5 В-вход
• Убедитесь, что схема сброса реализована правильно.

Контрольный список печатных плат

• Используйте четырехслойную печатную плату с полной опорной плоскостью GND.
• Управляйте дифференциальным импедансом MIPI, чтобы 100 Ой, обеспечить соответствие длины внутри пары, и обеспечить заземление
• Размещайте развязывающие конденсаторы близко к выводам микросхемы и держите переходные соединения короткими.
• Держите 40 Кварцевый генератор МГц вдали от высокоскоростных сигналов
• Следы Flash/PSRAM должны быть как можно короче и зарезервированы. 0 Позиции резистора Ом
• Управляйте дифференциальным импедансом USB, чтобы 90 Ω и обеспечить совпадение длин
• Не прокладывайте высокоскоростные сигналы через разделенные плоскости заземления.

Заключение

В качестве высокопроизводительного мультимедийного чипа RISC-V., ESP32-P4 представляет свои основные проблемы проектирования аппаратного обеспечения в несколько доменов мощности, высокоскоростные дифференциальные сигналы MIPI, Напряжение PSRAM, и булавки для обвязки. Для разработки продукта, рекомендуется использовать версию чипа v3.0 или новее., желательно с четырехслойной печатной платой, при этом строго соблюдая официальные рекомендации по проектированию оборудования Espressif..

Резервирование положений отладочных резисторов на схеме и реализация надлежащего управления согласованием импеданса и длины для высокоскоростных сигналов на печатной плате могут значительно сократить время и затраты, необходимые для последующей отладки.