ESD32 + USB-C - Welche Bauteile müssen zusammen sein

[Jurgen H. (jache)]

Hallo zusammen,

ich konstruiere aktuell ein PCB mit einem ESP32 + USB-C für eine WLED 
Anwendung mit 10 Kanäle für den Modellbaubereich.

Das Format der Platine ist etwas außergewöhnlich, da es in ein anderes 
Bauteil passen muss.

Deshalb kann ich auf Grund der Form nicht ein "normales" ESP32 Dev Board 
drauf setzen. Das passt nicht wirklich.

Das PCB ist noch nicht fertig. Mir geht es aktuell darum welche Bauteile 
eher am USB und CP2102 sein müssen und welche eher näher am 
ESP32-WROOM-32e?

Oder ist das für diese Anwendung recht irrelevant?

Ich habe aktuell nur die beiden Levelshifter an den ESP32 gesetzt. Step 
Down von 5V auf 3.3V und alle anderen Bauteile an den USB Port und den 
CP2102.

Sollte ich da etwas eher in Richtung WROOM32 setzen?

Und meine 2. Frage: Aktuell habe ich oben und unten eine Copper Area mit 
GND.

Kann ich auf die Unterseite auch eine Copper Area mit +5V setzen, außer 
unter den ESP32-WROOM-32E für die VIAs bzgl. Hitze?

Also Oben GND und unten 5V, außer den Bereich vom ESP32?

Hoffe auf Tipps. Danke euch.

Viele Grüße

[Gustl B. (-gb-)]

Jurgen H. schrieb:
> Oder ist das für diese Anwendung recht irrelevant?

Ja

Jurgen H. schrieb:
> Also Oben GND und unten 5V, außer den Bereich vom ESP32?

Klar, wieso nicht?

Sonst sieht das durchaus grauselig aus. Dicke Cs in der Pampa, keine Cs 
am ESP Modul, zwei Pegelwandler irre nah dran wo doch einer für die paar 
Signale gereicht hätte.

Wenn du magst, dann lade hier Schaltplan und Layout hoch. Schaltplan 
zusätzlich auch als Bild/PDF.

[Jurgen H. (jache)]

Gerne lade ich noch was hoch. Hilfe und Tipps nehme ich immer gerne an.

Habe versucht mich am Layout von Espressif zu halten.

Ich habe oben den Schaltplan hochgeladen und ein Screenshot vom PCB.
Würde noch die Bezeichnung der Bauteule aufs PCB machen. Aber kann ich 
es irgendwie anders hochladen?
Als EasyEDA File oder wie würde es helfen?

Wichtig ist mir dass die 5V stabil sind, da hier eben 8 Pixel LED 
Stripes mit je ca 40 Pixel. Zusätzlich werden noch zwei Elektromagnete 
gesteuert.

[Stephan S. (uxdx)]

und ein ESP-32-WROOM mit USB-C schon dran passt nicht?

[Jurgen H. (jache)]

Naja ein fertiges Board möchte ich nicht nehmen, da das PCB exakt in 
eine Aussparung passen soll.
Mein Schaltplan ist eigentlich ein normales WROOM32 mit USB-C. Ich 
möchte halt USB-C nutzen. So kann ich die 5V bis 3A auch direkt mittels 
USB-C versorgen.

Dazu ist es eine schönes Projekt für mich zum lernen.

[Alexander (alecxs)]

Sieht doch gut aus. Nicht so viel Theorie, bestellen und gut. Tipp fürs 
nächste Mal, Layout ohne Masseflächen hier zeigen dann können andere 
auch was damit anfangen.

[Jens M. (schuchkleisser)]

Willst du das WLAN nicht nutzen?
Weil, mit der Kupferfläche unter der Antenne wirst du keine nennenswerte 
Reichweite schaffen.

- Elkos gehören an den Spannungsregler, dazu Entkopplungskondensatoren 
an jeden Chip, so nah wie es geht.
- Leiterbahnbreiten und -Längen an die fließenden Ströme anpassen
- 100n direkt an Tastern kann evtl. die Kontakte beschädigen

[Alexander (alecxs)]

Jens M. schrieb:
> Entkopplungskondensatoren an jeden Chip, so nah wie es geht.

Die sind doch im ESP-32-WROOM schon mit drin.

[Jurgen H. (jache)]

Jens M. schrieb:
> Willst du das WLAN nicht nutzen?
> Weil, mit der Kupferfläche unter der Antenne wirst du keine nennenswerte
> Reichweite schaffen.
>
> - Elkos gehören an den Spannungsregler, dazu Entkopplungskondensatoren
> an jeden Chip, so nah wie es geht.
> - Leiterbahnbreiten und -Längen an die fließenden Ströme anpassen
> - 100n direkt an Tastern kann evtl. die Kontakte beschädigen


Elkos sind doch aber am Step Down dran.
Die sentkopplungskondensatoren dachte ich auch wären am Wroom drin.
Die 100n mache ich dann etwas entfernt von den Tastern.

WLAN will ich unbedingt nutzen. Sollte ich dann einfach unter dem 
Antennen Bereich das GND aussparen? Nur oben oder auch unten?

[Jens M. (schuchkleisser)]

Alexander schrieb:
> Die sind doch im ESP-32-WROOM schon mit drin.

Ja, deswegen braucht man auch keine 100 oder noch mehr µF direkt am 
Modul, wenn das ESP-Dings irgendwie nicht läuft, nicht sendet, eine 
schlechte Reichweite hat oder immer abstürzt.
Am ESP brauchst du einige zig µF, die sind zu groß oder zu teuer um sie 
da rein zu basteln.
Espressif macht im Demoboard meist 100n/10µ parallel nah dran, plus 
etliche µ am Spannungsregler. Gern auch 22µ/1µ/100n Kerkos "close to the 
board".

[Jurgen H. (jache)]

Jurgen H. schrieb:
> Jens M. schrieb:
>> Willst du das WLAN nicht nutzen?
>> Weil, mit der Kupferfläche unter der Antenne wirst du keine nennenswerte
>> Reichweite schaffen.
>>
>> Elkos gehören an den Spannungsregler, dazu Entkopplungskondensatoren
>>

Oder meinst du die beiden großen? Ich habe ja keinen Spannungsregler der 
auf 5V regelt. Die 5V kommen ja über USB oder über direkt die 
Einspeisung. Wo sollte ich die beiden großen dann positionieren?

[Jens M. (schuchkleisser)]

Jurgen H. schrieb:
> Elkos sind doch aber am Step Down dran.

Das sind die für den Spannungsregler. Stepdown bezeichnet üblicherweise 
Schaltregler, hier hast du einen LDO aus der 1117-Reihe, oder? Schau ins 
Datenblatt, wie viel der am Ausgang verträgt.
Und dann eben an jeden Chip as close as possible nochmal min. 100nF, am 
ESP würde ich min. 22µ setzen.

Jurgen H. schrieb:
> Die 100n mache ich dann etwas entfernt von den Tastern.

Ein Widerstand zwischen Kondensator und Taster, der den Kurzschlussstrom 
auf den Maximalstrom der Taster begrenzt wäre sinnvoller.

Jurgen H. schrieb:
> WLAN will ich unbedingt nutzen. Sollte ich dann einfach unter dem
> Antennen Bereich das GND aussparen?

Schau ins Datenblatt des Chips, dort gibt es Richtlinien was die Antenne 
angeht. Bei 2,4GHz ist sogar das Epoxy der Leiterplatte schon ein 
Problem!

[Jurgen H. (jache)]

Ok. Könntest du mir hier einen Tipp geben? Habe mich hier eigentlich 
einfach an das Layout von Espressif gehalten.

[Jens M. (schuchkleisser)]

Jurgen H. schrieb:
> Die 5V kommen ja über USB oder über direkt die
> Einspeisung. Wo sollte ich die beiden großen dann positionieren?

Da wo sie das erste Mal benutzt werden, und da wo sie die Platine wieder 
mit großen Strömen verlassen.
Leiterbahnen sind Induktivitäten, die bei Pulsen erstaunlich nervige 
Widerstände mit daraus bedingten Spannungsabfällen darstellen!

[Jens M. (schuchkleisser)]

Jurgen H. schrieb:
> Ok. Könntest du mir hier einen Tipp geben? Habe mich hier eigentlich
> einfach an das Layout von Espressif gehalten.

Ziemlich sicher nicht.
Datenblatt lesen oder einfach mal mit Verstand ein Demoboard ankucken.
Ich weiß, das es von Espressif Zeichnungen gibt, wo FR4 und Kupfer 
(nicht) sein darf, und auch, wie man die Leiterbahnen legen soll, 
speziell der Spannungsversorgung. Plus Vorschläge für die Schaltung, 
sowohl Schaltplan als auch Layout.

[Harald K. (kirnbichler)]

Jurgen H. schrieb:
> Habe versucht mich am Layout von Espressif zu halten.

Ist das da unter der Antenne des ESP32-Moduls eine Massefläche?

[Jurgen H. (jache)]

Danke euch.

ich habe mal ein paar Sachen, die ich verstanden habe angepasst.

Habe unter der Antenne vom WROOM einfach einen Boardausschnitt gemacht.

Habe nun die gesamte Unterseite mit +5V gemacht und oben mit GND, außer 
unter dem WROOM ist auch unten GND.

Die beiden großen Elkos habe ich nach oben gezogen.

Würde das so passen. Bzw. ich mir sicher, dass Ihr noch was findet :) 
Dann gerne noch Tipps was ich wie ändern sollte.

Habe auch mal die Referenz angehängt, nach welchem Layout ich 
vorgegangen bin. Da sind z.B. auch der 100n direkt am Taster EN.

Hier die Referenz Schaltung, an die ich mich versucht habe zu halten. 
(bis auf den USB-C Teil, der zusätzlich dazu kam)
https://dl.espressif.com/dl/schematics/esp32_devkitc_v4-sch.pdf

Habe mein aktuelles Layout (da fehlen noch alle Leitungen zu den 
Anschlüssen für die Pixel LED Stripes, etc.) angehängt.

Einmal Top, einmal Bottom und einmal ohne die ganzen Kupferflächen.

ich Danke euch!

[Joachim B. (jar)]

Jens M. schrieb:
> Schau ins Datenblatt des Chips, dort gibt es Richtlinien was die Antenne
> angeht.

Antenne an den Rand und Trägerplatine ausgefräst und kein Kupfer, wer 
will denn die Antenne behindern?

Dicke Elkos einen am USP in und min. einen am ESP.

Wer redet beim ESP von 5V? der will 3,3V also muss ein Regler rein LDO 
von 5V auf 3,3V wäre logisch und einen Treiber für ESP Port zu WLED 3,3V 
-> 5V

[Jurgen H. (jache)]

Der Regler von 5V auf 3.3V ist doch drinnen.

Das heißt für die Antenne reicht nicht eine Aussparung reinfräsen, 
sondern an den Rand?

[Jurgen H. (jache)]

Und der Regler vom ESP 3.3V zu 5V für die Pixel LED ist doch drinnen 
über die zwei Levelshifter. Die Pixel LED bekommen dann natürlich normal 
die 5V.

Auf dem Breadboard hat die Schaltung mit einem Original ESP32-Wroom-32E 
DEV Board auch geklappt und WLED lief problemlos mit allen Kanälen.

[Joachim B. (jar)]

Die Versorgungsleiterbahnen dürfen auch viel mehr Kupfer nutzen, ist ja 
genug Platz vorhanden, niemand muss den Strom künstlich behindern. 
Einige 100n KerKo neben den Elko lowESR wäre auch kein Fehler.

[Jurgen H. (jache)]

Was meinst du mit Elko lowESR? Welchen Elko meinst du bei mir?

[Rainer W. (rawi)]

Jurgen H. schrieb:
> Das Format der Platine ist etwas außergewöhnlich, da es in ein anderes
> Bauteil passen muss.

Hast du dir auch schon überlegt, wie die Platine gefertigt werden soll?
Willst du die mit Laubsäge und/oder Feile selber zu recht schneiden?

Die meisten Hersteller von Platinen verwenden für den Umriss der Platine 
eine Fräser (oft 2mm), d.h. in den Innenecken entsteht erstmal ein 
Radius. Wenn du scharfe Ecken haben willst, musst du die selber 
nacharbeiten.

Jurgen H. schrieb:
> Habe unter der Antenne vom WROOM einfach einen Boardausschnitt gemacht.

Das Loch in der Massefläche beeinflusst IMHO das EM-Feld genauso, wie 
eine Massefläche von der Größe des Lochs.

[Hadmut F. (hadmut)]

Warum nimmst nicht den esp32-S2 ?
Dann kannst du den usb-seriell chip einsparen und billiger ist er auch.

[Jurgen H. (jache)]

Rainer W. schrieb:
> Das Loch in der Massefläche beeinflusst IMHO das EM-Feld genauso, wie
> eine Massefläche von der Größe des Lochs.

Joachim B. schrieb:
> Jens M. schrieb:
>> Schau ins Datenblatt des Chips, dort gibt es Richtlinien was die Antenne
>> angeht.
>
> Antenne an den Rand und Trägerplatine ausgefräst und kein Kupfer, wer
> will denn die Antenne behindern?
>
> Dicke Elkos einen am USP in und min. einen am ESP.

Habe die Antenne nun außerhalb der Platine.

Elko habe ich noch einen an den ESP32 gemacht.

Joachim B. schrieb:
> Die Versorgungsleiterbahnen dürfen auch viel mehr Kupfer nutzen, ist ja
> genug Platz vorhanden, niemand muss den Strom künstlich behindern.
> Einige 100n KerKo neben den Elko lowESR wäre auch kein Fehler.

Habe die Versorgungsleitungen mal vergrößert.
Bzgl. den 100n Kerkos weiß ich nicht wo du meinst, wo die hinsollen.

Rainer W. schrieb:
> Hast du dir auch schon überlegt, wie die Platine gefertigt werden soll?
> Willst du die mit Laubsäge und/oder Feile selber zu recht schneiden?
>
> Die meisten Hersteller von Platinen verwenden für den Umriss der Platine
> eine Fräser (oft 2mm), d.h. in den Innenecken entsteht erstmal ein
> Radius. Wenn du scharfe Ecken haben willst, musst du die selber
> nacharbeiten.

Ja, mir reicht hier ein Radius von 2mm, das ist eingerechnet. JLCPCB 
wird diese fertigen, da habe ich gute Erfahrungen mit gemacht.

Fällt sonst noch etwas auf, dass problematisch sein kann/wird?

Dann würde ich als nächstes die ganzen Buchsen für die einzelnen Kanäle 
mal einbauen.

[Joachim B. (jar)]

Jurgen H. schrieb:
> Habe die Versorgungsleitungen mal vergrößert.
> Bzgl. den 100n Kerkos weiß ich nicht wo du meinst, wo die hinsollen.

möglich dicht an die Verbraucher um alle induktiven Leiterbahnanteile zu 
kompensieren!
Jeder stromdurchfloßene Leiter ist auch eine Spule und behindert den 
sprunghaften Anstieg von Strom wenn z.B. die GPU/CPU mal das Rechnen 
oder Senden anfängt.

[Jurgen H. (jache)]

Hallo Joachim,

sorry, da bin ich wohl einfach ein zu großer Anfänger. Könntest du mir 
ein Beispiel nennen, wo du meinst, dass ich u.a. einen 100n Keiko 
hinsetzen sollte...

Und meinst du ich sollte C3 und C4, welche bei mir aktuell direkt hinter 
dem Step Down von 5V auf 3.3V sitzen eher zum ESP32 setze wo aktuell der 
große Elko ist? Also großen Elko weg und dafür die beiden C3 und C4 an 
diese stelle? Im Schema gehören die beiden ja eigentlich auch eher zum 
ESP32.

Passt für dich der Rest?

[Joachim B. (jar)]

Jurgen H. schrieb:
> 100n Keiko

KerKo steht für KERamik KOndensator

Jurgen H. schrieb:
> C3 und C4, welche bei mir aktuell direkt hinter
> dem Step Down von 5V auf 3.3V sitzen eher zum ESP32 setze wo aktuell der
> große Elko ist?

na einen hinter dem USB und einen vor dem ESP 3,3V Spannungsregler

Alle Kondensatoren gehören vor die Verbraucher, je dichter umso besser.

Stichwort Abblockkondensator Stützkondensator findet man auch viele 
Erklärungen.

[Jurgen H. (jache)]

Hallo zusammen,

so, hoffe, dass ich dem Ziel näher komme.

Habe nun C3 und C4 vom Step Down zum ESP gezogen und ebenfalls R1 und 
C10.

Vor dem Step Down beim 5V Eingang sitzt C9 und nach dem Step Down beim 
3V Ausgang sitzt C8.

Habe sozusagen, die einzelnen Komponenten in den Bereichen im Schaltplan 
nun immer "zusammengefasst".

Passt das so?

Dann würde ich als letztes noch die JST Terminals fertig verkabeln.

Danke euch!