PCB 版图布局
本章节将以 ESP32-S3 模组的 PCB 布局为例（见图 ESP32-S3 模组版图参考设计），介绍 ESP32-S3 系列芯片的 PCB 布局设计要点。
ESP32-S3 模组版图参考设计
版图设计通用要点
建议采用四层板设计，即：
第一层（顶层），主要用于走信号线和摆件。
第二层（地层），不走信号线，保证一个完整的地平面。
第三层（电源线层），铺地平面，使射频及晶振部分可以得到更好的屏蔽。在保证射频及晶振部分下方完整地平面的情况下，将电源走在该层，可适度走信号线。
第四层（底层），不建议摆件，可适度走信号线。
如采用两层板设计：
第一层（顶层），主要用于摆件和走线。
第二层（底层），不要摆件，走线也越少越好，保证射频、晶振和芯片有一个完整的地平面。
模组在底板上的位置摆放
如使用模组进行板上 (on-board) 设计，需注意模组在底板的布局，应尽可能地减小底板对模组 PCB 天线性能的影响。
建议将模组天线区域伸出板边，馈点靠近底板板边放置。在下面模组摆放位置图中，✓ 代表强烈推荐的摆放位置，其他位置不推荐。
ESP32-S3 系列模组 (天线馈点在右侧) 在底板上的位置示意图
ESP32-S3 系列模组 (天线馈点在左侧) 在底板上的位置示意图
如果天线无法伸出板边，请保证给 PCB 天线一个足够大的净空区域（严禁铺铜、走线、摆放元件），该净空区域建议至少 15 mm。PCB 天线下方区域的底板请切割掉，以尽可能地减少底板板材对 PCB 天线的影响。馈点还是尽量靠近板边放置。图 ESP32-S3 天线区域净空示意图 以馈点在右侧的模组为例，画出了建议的净空区。
ESP32-S3 天线区域净空示意图
涉及整机设计时，请注意考虑外壳对天线的影响，并进行 RF 验证。请注意最终仍需要对整机产品进行吞吐量和通讯距离等测试来确保产品射频性能。
电源
图 ESP32-S3 系列芯片四层板电源设计 所示为四层板设计的电源走线。
ESP32-S3 系列芯片四层板电源设计
电源走线通用要点
优先采用四层板设计。
电源走线尽量走在内层第三层。
通过过孔连接至顶层芯片管脚处。主干电源换层处请至少保证两个过孔。其余电源走线上的钻孔的直径应不小于电源走线的宽度。
芯片下方的地焊盘需要至少打九个地孔连接到地平面。
如需在模组背面添加散热焊盘 EPAD，建议采用多宫格设计，间隙处盖防焊油墨，地孔打在间隙处，如图 ESP32-S3 系列芯片四层板电源设计 所示。这样可以避免模组 EPAD 焊接至底板时因为溢锡及气泡导致芯片移位。
3.3 V 电源
图 ESP32-S3 系列芯片四层板电源设计 中黄色高亮信号线即为 3.3 V 电源走线。
3.3 V 电源走线应遵循以下规范：
图 ESP32-S3 系列芯片四层板电源设计 中红色圆圈标示的是 ESD 保护管，需靠近电源端口放置。 电源走线进入芯片前需添加一个 10 μF 电容，该电容可与 0.1 或 1 μF 电容搭配使用。而后电源走线可在此分支，进行星形走线，减少不同电源管脚之间的耦合。所有的去耦电容请靠近对应电源管脚放置，去耦电容的接地管脚请靠近打地孔，保证较短的返回路径。
图 ESP32-S3 系列芯片四层板电源设计 中，因为 VDD3P3 模拟电源和芯片电源入口接近，因此只使用了一个 10 μF 电容。如果芯片电源入口不靠近 VDD3P3，请在芯片电源入口处和 VDD3P3 处都添加一个 10 μF 电容。如果有足够空间，可以再各预留一个 1 μF 电容。
主干电源走线的线宽建议至少 25 mil。模拟电源 VDD3P3 分支走线建议至少 20 mil。其他分支电源走线建议 10 mil。
模拟电源
图 ESP32-S3 系列芯片四层板模拟电源设计 所示为四层板设计的模拟电源走线。
ESP32-S3 系列芯片四层板模拟电源设计
模拟电源设计应遵循以下规范：
如图 ESP32-S3 系列芯片四层板模拟电源设计 所示，VDD3P3 模拟电源处 CLC 滤波电容中的对地电容的 GND 焊盘建议添加过孔连接至底层的地，其余层做 keep-out 隔离处理，进一步降低谐波干扰
VDD3P3 模拟电源两边请包地处理，和周围的射频、GPIO 之间添加 GND 隔离，并尽量能放置地孔。
晶振
图 ESP32-S3 系列芯片晶振设计（顶层有 keep-out） 为晶振通过通孔连接到地平面，但是顶层通过设置 keep-out 和地隔离开的参考设计图。
ESP32-S3 系列芯片晶振设计（顶层有 keep-out）
图 ESP32-S3 系列芯片晶振设计（顶层没有 keep-out） 为晶振通过通孔连接到地平面，但是顶层没有设置 keep-out 和地隔离开的参考设计图。
ESP32-S3 系列芯片晶振设计（顶层没有 keep-out）
如果顶层的地很充分，建议顶层设置 keep-out 和地隔离开，既可以减小寄生电容，也可以抑制温度传导，以防影响频偏。
晶振设计应遵循以下规范：
需要保证射频、晶振和芯片有一个完整的地平面。
晶振需离芯片时钟管脚稍远一些放置，防止晶振干扰到芯片。间距应至少为 2.0 mm。同时晶振走线须用地包起来周围密集地孔屏蔽隔离。
晶振的时钟走线不可打孔走线，即不能跨层，不可交叉，也不可跨层交叉。
晶振上的串联元器件请靠近芯片放置。
晶振外接的对地调节电容请靠近晶振左右两侧摆放，不可直接连接在串联元器件上。电容尽量置于时钟走线连接末端，保证电容的地焊盘靠近晶振的地焊盘放置。
晶振下方都不能走高频数字信号，最好是晶振下方不走任何信号线。晶振时钟走线两侧的电源线上的过孔应尽可能地远离时钟走线放置，并使时钟走线两侧尽可能包地。
晶振为敏感器件，晶振周围不能放置磁感应器件，比如大电感等，保证晶振周围有干净的大面积地平面。
射频
图 ESP32-S3 系列芯片四层板射频部分版图设计 中粉色高亮走线即为射频走线。
ESP32-S3 系列芯片四层板射频部分版图设计
射频版图设计应遵循以下规范：
射频走线上需预留一个 π 型匹配电路，且 π 型匹配电路需尽可能地靠近芯片端，并呈 Z 字型摆放。
射频走线须做 50 Ω 阻抗控制，参考平面为第二层。射频走线在做 50 Ω 阻抗控制时，可参考下图所示的 PCB 叠层结构设计。
ESP32-S3 系列芯片 PCB 叠层结构设计
π 型 CLC 匹配网络中靠近芯片侧对地电容的 GND 焊盘与地之间建议增加短截线，可有效抑制二次谐波。短截线的长度建议为 15 mil，线宽根据 PCB 叠层结构进行确定，确保短截线的特征阻抗为 100 Ω ± 10%。此外，短截线地孔与第三层相连，第一、二层做 keep-out 隔离处理。图 ESP32-S3 系列芯片四层板射频短截线设计 中的高亮走线即为短截线。当 π 型匹配网络元器件封装为 0201 以上时，则无需做短截线处理。
ESP32-S3 系列芯片四层板射频短截线设计
射频走线线宽请注意保持一致，不可有分支走线。射频走线长度须尽量短，并注意周围密集地孔屏蔽。
射频走线在表层，走线不可有过孔，即不能跨层走线，且尽量使用 135° 角走线或是圆弧走线。
射频走线须保证相邻层完整地平面，射频走线下方尽可能不要有任何走线。
射频走线附近不能有高频信号线。射频上的天线必须远离所有传输高频信号的器件，比如晶振、DDR SDRAM、高频时钟等。另外，USB 端口、USB 转串口信号的芯片、UART 信号线（包括走线、过孔、测试点、插针引脚等）都必须尽可能地远离天线。且 UART 信号线做包地处理，周围加地孔屏蔽。
Flash 及 PSRAM
Flash 及 PSRAM 的设计应遵循以下规范：
SPI 通信线上预留的 0 Ω 串联电阻请靠近芯片侧放置。
SPI 走线请尽可能地走到内层（例如第三层），并且时钟及数据走线都单独进行包地处理。
VDD_SPI 电源处的 0.1 μF 对地电容可靠近对应 flash 及 PSRAM 的电源管脚放置。
八线 SPI 还需做等长处理。
图 ESP32-S3 系列芯片 Quad SPI Flash 版图设计 所示为 quad flash 版图设计。
ESP32-S3 系列芯片 Quad SPI Flash 版图设计
图 ESP32-S3 系列芯片 Octal SPI Flash 版图设计 所示为 octal SPI flash 版图设计。
ESP32-S3 系列芯片 Octal SPI Flash 版图设计
UART
图 ESP32-S3 系列芯片 UART 版图设计 所示为 UART 版图设计。
ESP32-S3 系列芯片 UART 版图设计
UART 版图设计应遵循以下规范：
U0TXD 线上的串联电阻请靠近芯片侧并远离晶振放置。
U0TXD、U0RXD 在顶层的走线需尽量短。
UART 走线两侧请注意包地处理，周围加地孔屏蔽。
SDIO
SDIO 版图设计应遵循以下规范：
SDIO 走线因为速率较高，需要尽量控制其寄生电容。
SDIO_CMD、SDIO_DATA0 ~ SDIO_DATA3 走线长度以 SDIO_CLK 走线长度为基准 ± 3 mil，需要时绕蛇形线。
SDIO_CLK 走线尽量单独包地，从芯片 SDIO 管脚到对端 SDIO 接口的总长度越短越好，控制在 2500 mil 以内，最好在 2000 mil 以内。
SDIO 走线要保证不跨平面。
触摸传感器
ESP32-S3 提供多达 14 个电容式传感 IO，能够探测由手指或其他物品直接接触或接近而产生的电容差异。这种设计具有低噪声和高灵敏度的特点，可以用于支持使用相对较小的触摸板。矩阵按键的设计可以得到更多的触摸点。接近感应的设计可以检测到人体的接近。
图 ESP32-S3 典型的触摸传感器应用 为典型触摸传感应用。
ESP32-S3 典型的触摸传感器应用
为防止电容耦合和其他电干扰影响触摸传感系统的灵敏度，需要考虑以下因素：
电极图形
适当大小和形状的电极有助于提高系统灵敏度。常见的有圆形、椭圆形和形状类似人的指尖的电极。过大或形状不规则的电极可能导致附近电极发生错误响应。
图 ESP32-S3 电极图形要求 所示为适当以及不适当大小和形状的电极。注意图中未按照实际比例绘制，建议用指尖作为参考。
ESP32-S3 电极图形要求
PCB 布局
图 ESP32-S3 传感器布局布线 为传感器布线布局，具体的走线注意事项如下：
走线长度请尽量短，建议不超过 300 mm。
走线宽度 (W) 不能大于 0.18 mm (7 mil)。
走线夹角 (R) 不应小于 90°。
走线离地间隙 (S) 范围 0.5 mm 到 1 mm。
触摸电极直径 (D) 范围 8 mm 到 15 mm。
触摸电极和走线应被栅格地围绕。
触摸传感器电路注意远离射频天线电路，并注意隔离。
ESP32-S3 传感器布局布线
备注
更多关于触摸传感器的硬件设计可查看 触摸传感器应用方案简介。
防水和接近传感器布局
ESP32-S3 新增硬件防水和接近传感器功能，图 ESP32-S3 防水和接近传感器参考布局 为防水和接近传感器参考的布局。
ESP32-S3 防水和接近传感器参考布局
为更好实现上述功能，请注意以下事项：
屏蔽电极的宽度建议 2 cm。
顶层填充网格，走线宽度为 7 mil，网格宽度为 45 mil（25% 填充），填充的网格与驱动屏蔽信号连接。
底层填充网格，走线宽度为 7 mil，网格宽度为 70 mil（17% 填充），填充的网格与驱动屏蔽信号连接。
建议保护传感器应为弯曲边缘的矩形，包围其他所有传感器。
保护传感器宽度建议为 2 mm。
保护传感器与屏蔽传感器宽度间隙建议为 1 mm。
接近传感器的感应距离与接近传感器的面积成正比，但增大感应面积也会带来更大噪声，需实际测试。
接近传感器形状建议为闭合环状。宽度建议为 1.5 mm。
版图设计常见问题
1. 为什么电源纹波并不大，但射频的 TX 性能很差？
现象分析： 电源纹波可极大地影响射频的 TX 性能。测量电源纹波时需注意电源纹波必须是在 ESP32-S3 正常发包下测试。随着不同模式下功率的改变，电源纹波也会随之变化，发包功率越高，导致的纹波越大。
一般情况下，发送 MCS7@11n 的包时，电源纹波峰峰值必须 <80 mV。发送 11 MHz@11b 的包时，电源纹波峰峰值必须 <120 mV。
解决方法： 在电源支路上（支路为 ESP32-S3 模拟电源管脚）添加一个 10 μF 的滤波电容。10 μF 的电容必须靠近芯片的模拟电源管脚，越近纹波会越小越稳定。
2. 为什么芯片发包时，电源纹波很小，但射频的 TX 性能不好？
现象分析： 射频的 TX 性能不仅受电源纹波的影响，还受到晶振的影响。晶振的本身质量不好，频偏过大会影响射频的 TX 性能。或者晶振受到高频信号干扰，比如晶振的输入输出信号线走线跨层交叉，使得晶振的输入信号耦合到输出信号上，输出信号耦合到输入信号上，也会影响射频的 TX 性能。另外，如果晶振的下方有其他高频信号走线，比如 SDIO 走线、UART 走线，也会导致晶振无法正常工作。最后，晶振旁边有感性器件或辐射器件，比如大电感、天线等也会导致芯片的射频性能不好。
解决方法： 此问题主要是在布局上，可以重新布局，详见章节 晶振。
3. 为什么芯片发包时，仪器测试到的 power 值比 target power 值要高很多或者低很多，且 EVM 比较差？
现象分析： 仪器检测到的 power 值与 target power 相差较大，可能是由于芯片射频管脚输出到天线这一段传输线上阻抗不匹配导致信号在传输过程中有反射。其次，阻抗不匹配会影响到芯片内部 PA 的工作状态，使得 PA 非正常过早进入饱和区域，继而使得信号失真度高，EVM 自然会变差。
解决方法： 射频走线上预留了一个 π 型电路，可以根据需求对天线进行阻抗匹配，使得从芯片射频管脚往天线端看去，阻抗接近芯片端口阻抗。