Archive for 5月 2023
macsbug ESP32 S3
macsbug ESP32 S3： ORG 2023.05.05 , Rev 1 2024.01.xx
ESP32 S3 の基板を製作しました。
費用は ９００円。
以下、新しいバージョンを参照ください。
内容は RESET スイッチを廃止し BOOT スイッチにしました。
2024.02.28：macsbug ESP32 S3 v2.1
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作例：
1.3inch 240×240 SPI ST7789 Display；基板サイズは 33 x 41 x 1 mmです。
LovyanGFXでのSPI Frequencyは 80MHzで動作をしています。
部品とパターンのレイアウトにより高速動作が実現しています。
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開発環境：
PC：Windows 又は Mac + Windows環境
プリント基板エディタ (無料)：PCBE
PCB製造：JLCPCB
設計：
参考基板と部品：
ESP32 miniKit (670円) と ESP32 S3 版の T7-S3 (1865円)。
２つから、ESP32-S3-WROOM-1 N16R8(Flash 16MB, PSRAM 8MB)を
使用し低価格と性能向上を目指しました。以降 ESP32 S3を S3 と表現。
Minikit と T7-S3の LDOは ME6211(500mA)。これをピンコンパチの
TPS74033SF5(600mA)に置き換え 20%のパワーアップを実現します。
部品点数は 16個で 組み立て容易で コストは低くなります。
S3は GPIO数(34)多く 16bit parallel Displayの高速表示が可能です。
レイアウト：
1. GPIO Connector (CN2,CN3,CN4)；２列にし基板を小型化。
2. GPIO Connector：S3のGPIOと最短距離に配線。(左：水色と黄色)
3. GPIO端子からの引き出しは太くする。線は丸みを持たせる。
4. LDO：TPS74033SF5(600mA)を S3 3V3 と最短距離に配置。(右：赤色)
5. USB D-,D+：USB C Connectorから S3 D-(19),D+(20)を最短距離に配置。(右：赤色)
6. ESD Protection：USB D-,D+ に USB用TVS (USBLC6-2SC6) を使用。(右：U3)
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| パターンについて： 右端GPIO端子部は 線を太くする(Green) 線は 角を作らず丸みを持たせる(Green) GNDにビア(小さい丸)を打つ(Yellow) 電源3.3VとGNDの線は極力太くする。 |
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メモ：数多くのESP32基板の速度の検証では、
長い基板は Displayの表示速度が遅い経験を体験しています。
検証の結果、小型のESP32 minikit基板の性能は一番です。
検証１：LCD and ESP32 speeds with LovyanGFX
検証２：追記：2024/01/21
Displays the SD image on the LCDに於いて ST7789 8bit Parallel + SDFatは
80MHzで動作しています。他の基板は 80MHzでは動作しませんでした。
回路図：
基本は ESP32 minikitの回路図 及び T7-S3の回路図を参照。
LDO は TPS74033SF5 ( 600mA ) を採用。U2。
ESD Protection に USBLC6-2SC6 を採用。U3。
S3は ESP32-WROOM-1 NR16R8 ( Flash 16MB, PSRAM 8MB)。U1。
S3は 530円で全体の60%です。低価格で入手できれば良いですね。
省電力対策：
RED LED(PWR:5V)とBLUE LED(GPIO 45)は カットできるPADを採用。
Battery使用時にPADをカットし 省電力が可能です。
さらに ESP32のDeepSleep(10μA,100μA,150μA)を使用せず
TPL5110モジュールを使用すると TPL5110の消費電流 30nAで動作が可能です。
S3 abaracadabra.pdf：PDF版です。
部品レイアウト：16個の部品で構成されています。
部品リスト：費用：854円 /1個 (廉価部品を含んだ価格：白枠の色)
購入先：主な部品は 秋月(秋月電子通商)。廉価版は Aliexpress。
注意：Aliexpressの商品は正しい部品とは限りませんので検証が必要です。
参考：Make an ESP32 S3 MiniKit(1070円)：ESP32 Minikit の ESPをS3化。
メモ：必ずしも必要の部品として Red LED, Blue LED,抵抗R1,2があります。
LDO：TPS74033SF5 600mA を使用。容量足りますが最強を目指す場合 1000mAがあります。
LDO 1000mA：XC6220B331MR-G , TV75733PDBVR 。TPS とピンコンパチで交換が可能です。
| No. | Nomen Symbol |
Spec Quantity |
Size unit |
Purchase pcs, Price |
Price ￥/1 Set |
| 1 | macsbug S3 PCB |
macsbug⚓️ 1 pcs |
33 x 41 x 1 mm |
JLCPCB 1 pcs ,￥100 |
100 |
| 2 | Chip Resistor, R1 |
10KΩ 1/10W 1 pcs |
1608 | 秋月: 115029 5000 pcs , Y980 |
1 |
| 3 | Chip Resistor, R2,R3 |
2KΩ 1/10W 2 pcs |
1608 | 秋月: 116120 5000 pcs , ￥980 |
1 |
| 4 | MLCC, C1, C3 |
1μF/25V X7R 1 pcs |
1608 | 秋月: 114526 20 pcs , ￥100 |
10 |
| 5 | MLCC, C2 |
22μF/25V X5R 1 pcs |
2012 | 秋月: 108240 10 pcs , ￥120 |
12 |
| 6 | MLCC, C4, C6 |
10μF/35V X5R 2 pcs |
1608 | 秋月: 113161 10 pcs , ￥150 |
30 |
| 7 | MLCC, C3, C5 |
1μF/35V X5R 2 pcs |
1005 | 秋月: 113583 20 pcs , ￥120 |
12 |
| 8 | Chip RED LED PWR  |
150 mcd 1 pcs |
2012 (0805) |
秋月: 106419 10 pcs , ￥150 |
15 |
| 8 | Chip RED LED PWR |
150 mcd 1 pcs |
2012 (0805) |
IBUW Electron Component Store 100 pcs , ￥212 輸送期間=10day |
2 |
| 9 | Chip BLUE LED GPIO_45 |
80 mcd 1 pcs |
2012 (0805) |
秋月: 106424 10 pcs , ￥180 |
18 |
| 9 | Chip BLUE LED GPIO_45 |
80 mcd 1 pcs |
2012 (0805) |
IBUW Electron Component Store 100 pcs , ￥213 輸送期間=10day |
2 |
| 10 | ESP32-S3-WROOM-1 U1  |
32bitLX7 FLASH 16MB PSRAM 8MB with TELEC 201-220052 1 pcs |
18 x 25.5 x 3.1 mm |
秋月:117256 1pcs , ￥530 |
530 |
| 10 | ESP32-S3-WROOM-1 U1  |
32bitLX7 FLASH 16MB PSRAM 8MB with TELEC 201-220052 1 pcs |
18 x 25.5 x 3.1 mm |
BOM LIST Store 30pcs , ￥16224 |
540 |
| 11 | TPS74033SF5, U2 |
3.3V LDO 600mA 1 pcs |
SOT-23-5L | 秋月: 117230 5 pcs , ￥200 |
40 |
| 11 | XC6220B331MR-G,U2 |
3.3V LDO 1000mA 1 pcs |
SOT-23-5 | TOREX Direct 10 pcs , ￥1650 輸送期間=6day |
165 |
| 11 | XC6220B331MR-G,U2 |
3.3V LDO 1000mA 1 pcs |
SOT-23-5 | Shenzhen Hong 20 pcs , ￥407 ORDER中 |
21 |
| 11 | XC6220B331MR-G,U2 |
3.3V LDO 1000mA 1 pcs |
SOT-23-5 | Jin Tank Store 20 pcs , ￥303 ORDER中 |
15 |
| 11 | TV75733PDBVR, U2 |
3.3V LDO 1000mA 1 pcs |
SOT-23-5 | RWTNF Electronic 10 pcs , ￥325 ORDER中 |
33 |
| 12 | USB Connector, CN1 |
USB-C Female 1 pcs |
8.94 x 7.35 x 2.56 mm |
秋月: 114356 |
110 |
| 12 | USB Connector, CN1 |
USB-C Female 1 pcs |
8.94 x 7.35 x 2.56 mm |
XPSD official 30 pcs , ￥582 輸送期間=8day |
15 |
| 13 | TACT Switch, SW1 |
16Vdc/50mA 1 pcs |
4.2 x 3.2 mm |
秋月:106185 5pcs , ￥100 |
20 |
| 14 | USBLC6-2SC6, U3 |
TVS Diode 1 pcs |
SOT-23-6 | DigiKey 5pcs , ￥710 |
142 |
| 14 | USBLC6-2SC6, U3 |
TVS Diode 1 pcs |
SOT-23-6 | Fantasy Elec 10pcs , ￥635 輸送期間=8day |
64 |
| TOTAL | ———- | ———- | ￥4865 | ￥854 | |
| TOTAL | SW1,RED LED無し | ———- | ￥4865 | ￥833 |
| ESP32-S3-WROOM-1：with TELEC (技術基準適合証明) | |
| 秋月電子通商は シートが同封されています。 |
BOM LIST Storeは チップの 金属部に表示されています。 |
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with TELEC の購入は BOM LIST Storeにお聞きすると良いです。
BOM LIST Storeの返事は 以下の画像で TELECの表示があります。
無くても良い部品：計 55円。
1. Reset用の SW1 Switch。20円
OTGで使用しますと自動起動しますので不要になります。
2. USB 5V PWRのRED LED。R2 Registor。15円 + 1円。
3. GPIO45 BLUE LED。R3 Registor。18円 + 1円。
コネクター：用途に合わせた高さを使用します。(8.5mm, 6.54mm, 5.5mm)
| 8.5 mm Mounting height | |||||
| No. | Nomen Symbol |
Spec Quantity |
Size unit |
Purchase pcs |
Price ￥/ 1Set |
| 1 |
Pin Header, CN2, CN3
|
2.54mm pitch 2 pcs |
2×5 | 秋月: C-13635 1pcs , ￥15 |
30 |
| 2 | Pin Header, CN4 |
2.54mm pitch 1 pcs |
2×10 | 秋月: C-00078 1pcs , ￥50 |
50 |
| 3 |
Pin Socket, CN2, CN3
|
2.54mm pitch 2 pcs |
2×5 | 秋月: C-00168 1pcs , ￥50 |
100 |
| 4 |
Pin Socket, CN4
|
2.54mm pitch 1 pcs |
2×10 | 秋月: C-00083 1pcs , ￥50 |
50 |
| TOTAL | ———- | ———- | ———- | ￥230 | |
| 6.54 mm Mounting height | |||||
| No. | Nomen Symbol |
Spec Quantity |
Size unit |
Purchase pcs |
Price ￥ /1Set |
| 2 | Pin Header CN2,CN3,CN4  |
2.54mm pitch 1 pcs |
2 x 15 | 秋月: 110728 1pcs , ￥30 |
30 |
| Connector : Mounting height = 5.7 mm | |||||
| 3 | Pin Socket, CN2, CN3 |
2.54mm pitch 2 pcs |
2 x 5 | 秋月: 102903 1 pcs , ￥40 |
80 |
| 4 | Pin Socket, CN4 |
2.54mm pitch 1 pcs |
2 x 10 | 秋月: C-02904 1pcs , ￥40 |
40 |
| TOTAL | ———- | ———- | ———- | ￥150 | |
.
| 5.5 mm Mounting height | |||||
| No. | Nomen Symbol |
Spec Quantity |
Size unit |
Purchase pcs |
Price ￥/1Set |
| 1 | Pin Header CN2, CN3,CN4  |
2.54mm pitch 1 pcs |
2 x 40 | 秋月: 102901 1pcs , ￥40 |
40 |
| Connector : Mounting height = 3.6mm | |||||
| 2 | Pin Socket CN2, CN3,CN4  |
2.54mm pitch 2 pcs |
2 x 13 | 秋月: 103139 1 pcs , ￥80 |
160 |
| TOTAL | ———- | ———- | ———- | ￥200 | |
minikit と T7-S3 基板の配線：分析と最短距離化
| 一部 配線が散らばっています | 配線が各部に散らばっています ピン間３本を通す細かさ LDOは 基板裏面 S3 3V3端子直下に配置 |
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ESP32 S3 GPIO端子 と コネクタ端子の配線は最短に配置。 表が黄色、裏が水色。ピン間一本の配線。GPIOピンの根本の線は太くする。 3V3ラインは太くする。 GNDはベタアース,ビアを打つ。 |
USBの配線 と レギュレーターの レイアウトと配線：分析と最短距離。
USBのレイアウト：
Raspberry Pi Pico基板のUSB線幅から学ぶ事：
USB ConnectorからPi Tipまでの距離は とても長いです。
その為 D-,D+の配線パターンは かなり太くなっています。
インピーダンスマッチングを取っていると考えられます。
他のボードでは D-, D+のラインにコモンモード・チョーク・トランス
(CMT)装着の例があります。
USB配線インピーダンスは 90Ω です。
ESP32 S3の USB は GPIO_19=D-, GPIO_20=D+ です。
USB-C(D-,D+)と S3 (19, 20)の配線は 最短距離にします。
最短は 配線は細くても良い事とインピーダンス考慮が不要になります。
レギュレーターのレイアウト：
ESP32 S3_3V3 Pin 直下にレギュレータ(TPS74033SF5)を配置します。
そして 1000pF,0.1uF,1uF,10uF に並列接続しますと
広範囲に渡り高周波インピーダンスを下げられます。
今回は 1uF,10uF としました。
LDOの入出力に並列実装するMLCCは 容量の小さな順にLDOの至近に実装します。
例：Input – 10uF – 1uF – LDO – 1uF – 10uF – output
理由：小さな容量のMLCCは パターンを遠くにすると
そのインダクタンス成分で容量成分が制限されます。
PCBE と JLCPCB ：PCB基板を容易に作る方法。
PCB設計のEAGLE等を使用しなくとも基板の設計は可能で容易です。
事前に回路図は必要ですが PCBEでパターンを作成します。
ファイル / 基板製作見積 / 基板メーカー / データー作成 (ドリル=NC) ,
部品面 B面 / データー作成 でガーバーデーターを出力します(zip ファイル)。
zip ファイルを JLCPCBのAdd gerber fileにアップし Gerver Viewer で
基板の出来具合を見ることができます。
以下は expander boardのサンプルです。pdf形式でDL後に.pdfを取り除きます。
このデーターを基にPCB基板を作る事ができます。
expander board sourece：expanver_board_source.pcb.zip
PCBEで編集できます。中央下の2×5のシルクは１つ上の位置に修正して下さい。
expander board zip：expanver_board_pcbe.zip
JLCPCBで見る事ができます。画像は JLCPCBのGerver Viewerの表示です。
感想：
低価格と物作り。
macsbug ESP32 S3基板の費用は 900円 です。
安いと沢山作る事ができ 思い立った時に直ぐ使用できる事です。
16個の部品で構成され部品取り付けは容易です。
アイデアを直ぐ試す事ができ 物作りが豊富になります。
これまで 多くのESP基板を購入していましたが
この基板の製作により購入の必要が無くなりました。
比較：minikit が 670円。minikit S3化 改造は 1070円。
内訳： 約60%が ESP32 S3 代です。
S3 は ESP32-S3−WROOM−1 N16R8 ( Flash 16MB, SPRAM 8MB) を示します。
ESP32 S3 は 秋月電子通商で 530円, TELEC(シール)付きです。
Aliexpress : ESP32 S3 単体価格は911円で 秋月より高い。with TELEC。
0個購入は 16224円で1個540円になります。
Aliexpress : ESP32 S3 ロット販売(650個:314,554円)で 1個484円です。
Alibaba : ESP32-S3-WROOM-1 N16R8
S3基板情報：2023.05.05
Aliexpressの基板は without TELECが多く日本では使用できません。
国内での ESP32 S3(SS) は 2840円と高い。
チップを変えただけの物で 進化も無く 基板はとても長い。
ESP32 S3を使用した M5Stack CoreS3 ESP32S3 IoT開発キットは
多数のセンサー、インターフェースが装備されていますが
価格は国内で8382円(SS)と 容易に購入できる価格ではありません。
残念なのは DisplayがSPI接続の設計である事です。
結果、価格が高いと作れる数が限られてきます。
10台で８万３千円。今回の基板であれば ９千円で済みます。
macsbug ESP32 S3 基板情報：2024.01.21
実用経験から改善が必要になり 改修基板 V2.1 を試作し PCBを発注しています。
大きな改善点は Reset Switchを廃止し Boot Switch(GPIO_0)に置き換えます。
理由１：Reset SW は MAG TypeのUSB Connectorでできる。
理由２：Boot SWは 初期書き込み時とスケッチ誤記による再起動書き込み不可の対策。
新基板で試験後に 記事を投稿する予定です。
PCBのソースやガーバデータの公開も予定です。
V2.0の基板は 出会う機会があれば プレゼントします。
JCLPCBへの依頼で部品アッセンブルも含めてできれば 楽ですが
まだ、熟知していません。どなたか協力できる人を期待しています。
ESP32 minikit , T7-S3 , ESP32-S3-WROOM-1 , TPS74033SF5 , USBLC6-2SC6
macsbug 