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Electrónica

ESP32-S3 Pi Zero 2 W. POWER SUPPLY.

Los chips (o SoCs) Espressif, se alimentan por lo general a 3.3V. También los módulos lo hacen.

Power Supply ESP32-S3
Power Supply ESP32-S3

Estos pueden ser alimentados directamente 3.3V, por practicidad, en esta placa, se alimentan con los 5V del conector USB. En una placa para un producto con un propósito particular se pueden utilizar los 3.3V directamente.

Para nuestro caso vamos a utilizar un LDO con una salida fija a 3.3V y alimentaremos con USB a 5V. Debemos contemplar varias aspectos en la selección de este LDO quizás el mas importante en el LDO sea el Transient Response. Veamos el esquema general porque es común a casi todos los LDOs.

LDO AP2114H
LDO ESP32-S3

LDO (Low-Dropout Regulator)

Un LDO (Low-Dropout Regulator), es un regulador de voltaje lineal. Los reguladores LDO tienen un dropout muy bajo (típicamente entre 100mV y 500mV). Esto permite que, aunque el USB caiga a 4.5V por un cable malo, el LDO siga entregando 3.3V estables.

En la elección del LDO para este proyecto tienen que tenerse en cuenta la disipación de calor y el Transient Response.

Disipación de calor

Si se alimenta el LDO con 5V y la salida es de 3.3V la caída de voltaje es de 1.7V que para un consumo (medio) de por ejemplo 0,5 A disiparía, aproximadamente, 1W (1.7V×0.5A=0.85W). Esto se tendrá cuenta en el diseño, creando un área de disipación en el lugar donde se ubica el LDO en nuestro proyecto.

Transient response

La respuesta a transitorios de carga o transient response es la capacidad de mantener el voltaje de salida de un LDO, o de otros circuitos, cuando la carga exigida varia rápidamente. Un SOC, o un modulo, sufren Brownout cuando el voltaje sufre una caída por debajo del umbral mínimo del voltaje de alimentación. El ESP32-S3 es propenso a sufrir brownout cuando se activa el tranceiver WiFi. Es el equivalente a que las luces de tu casa parpadeen o pierdan intensidad cuando enciendes un motor potente. En algunas ocasiones se pueden ver los errores en el terminal serie de tu módulo:

Algunos LDOs están diseñados específicamente con un transient response mejorado, de esta manera ante cambios bruscos de carga el voltaje no varía, o lo hace de manera muy reducida.

Aparecerá en los datasheets como: Excellent Load/Line Transient Response, DCS-Control topology for fast transient response, etc.

La solución pasa por usar un LDO con better load transient response o incrementar la capacitancia de salida del condensador. La primera opción parece ser la mejor.

El canal de Youtube @electgpl, muestra en unos de sus videos (https://youtu.be/UNf9UTMpZMI?si=5fMa71wgtZuSwqob) una explicación mas detallada de los LDOs.

Diodos de entrada y salida

El esquema general para un LDO típico, tiene un condensador de salida y un condensador de entrada. Las especificaciones de esos condensadores se encuentran en el datasheets del LDO escogido:

En el ejemplo de la imagen se muestran condensadores de 10µF. Se puede incrementar la capacitancia en función de las necesidades del circuito.
De esa manera se puede conseguir una mejor respuesta a transitorios de carga. También se mejora la estabilidad del Lazo de Control (Anti-Oscilación) y filtrado de Ruido de Alta Frecuencia (EMI/EMC)

Lazo de Control

El lazo de control es la función del LDO que mantiene el voltaje en el valor deseado. El lazo de control tiene cuatro funciones maestras para que el ESP32-S3 reciba siempre 3.3V:

Regulación de Línea (Line Regulation)

El lazo de control detecta estos cambios en la entrada (VIN​) y ajusta el transistor de paso interno para que la salida (VOUT​) no se mueva de los 3.3V.

Regulación de Carga (Load Regulation)

La regulación de carga pretende que el voltaje no caiga cuando el ESP32-S3 pasa de consumir 50mA a 500mA (al encender el Wi-Fi por ejemplo). El lazo de control detecta esa caída a través de un divisor de voltaje interno. Compara ese valor con una referencia de bandgap (un voltaje interno ultra estable) y modifica los valores para ajustar el voltaje.

Rechazo al Ruido de la Fuente (PSRR)

El lazo de control funciona como un filtro activo. Cuando la entrada de 5V presenta rizado (ripple) o ruido de alta frecuencia, común en fuentes conmutadas de baja calidad, el amplificador de error reacciona instantáneamente. Su función es compensar estas variaciones con rapidez, Es la manera que impide que el ruido se propague hacia la salida de 3.3V.

Estabilidad y Compensación

El lazo de control tiene una velocidad de respuesta (ancho de banda). Si intenta corregir demasiado rápido o demasiado lento, sin la ayuda de la capacitancia y la ESR (Resistencia Serie Equivalente) del capacitor de salida, el sistema puede entrar en resonancia.

Ruido de Alta Frecuencia (EMI/EMC)

El ruido de alta frecuencia y los capacitores mantienen una relación de “filtro y barrera”. En un sistema digital rápido como el ESP32-S3, los capacitores son los encargados de asegurar que el ruido no se propague ni afecte el funcionamiento del chip.


Understanding the load-transient
response of LDOs.
https://www.ti.com/lit/an/slyt151/slyt151.pdf: ESP32-S3 Pi Zero 2 W. POWER SUPPLY.
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Electrónica USB

ESP32-S3 Pi Zero 2 W. USB-UART y USB-OTG. Parte II. Esquemático.

Presentamos a continuación los esquemáticos de los puertos USB-UART y USB-OTG. Es la manera de conectar nuestra ESP32-S3 Pi Zero 2 W al PC para programarla, depurar y simplemente alimentarla. Utilizamos puertos USB-C en vez de micro USB porque son más flexibles, robustos y fáciles de utilizar.

USB 3.0 pinout
USB 3.0 pinout

Aunque se usan puertos USB-C, las funciones que se utilizan son únicamente USB 2.0 (D+, D-, GND y VBUS).

CC1 y CC2

Para la compatibilidad USB 3.0 se necesita establecer una resistencia de pull-down de 5.1kΩ (±10%) en sus pines CC1 y CC2. Esos 5.1kΩ, conectados a GND. Identifican a la placa como un consumidor de corriente que suministra el puerto USB del PC. Existen otros valores pull-down y pull-up para CC1 y CC2 pero no son el propósito de este proyecto.

VBUS y +5V

Los pines VBUS son los pines de alimentación de la placa (5V positivos). Provienen del puerto USB del PC o de una fuente externa con USB. Los identificamos como VBUS_UART y VBUS_OTG cuando provienen de un conector USB-C.

Separamos la alimentación (VBUS_UART y VBUS_OTG con 5V) con un diodo Schottky en los dos puertos USB-C, con el objetivo de evitar el riesgo de que se conecten dos cables a la vez, en USB-UART y USB-OTG. Sin esos diodos la corriente podría fluir desde uno de los puertos hacia el otro. Esto podría dañar los puertos del PC.

Se producirá una caida de voltaje en ese diodo de aproximadamente 0,3V que deberán ser tenidos en cuenta en la entrada del regulador de voltaje LDO a 3.3V.

Se puede alimentar con votaje directo la placa desde la salida de este diodo y existe un PIN disponible a tal efecto en la placa, sin tener que utilizar un conector USB.

D+ y D-

Las líneas D+ (Data Plus) y D- (Data Minus) son las comunicaciones de los datos entre el PC el microcontrolador. A diferencia de un cable de alimentación simple, estas líneas forman un par diferencial.

USB 2.0 no envía los datos por un solo cable comparándolos con masa (GND), sino que compara el voltaje entre D+ y D-.

  • Si D+ > D−, el sistema interpreta un estado lógico.
  • Si D+ < D−, interpreta el estado contrario.

La comunicación mediante par diferencial se elige principalmente por su gran inmunidad al ruido. Si una interferencia electromagnética afecta al cable, lo hará en ambos hilos por igual. Dado que el receptor solo interpreta la diferencia de voltaje entre ellos, esa interferencia se cancela automáticamente, garantizando la integridad del mensaje.

Diodos TVS

Los diodos TVS (Transient Voltage Suppressor) se utilizan para proteger el circuito contra picos de voltaje extremadamente rápidos y altos, como la electricidad estática (ESD). La ESD (Electrostatic Discharge) o descarga electrostática es un fenómeno físico repentino y momentáneo, en el que la electricidad fluye entre dos objetos con distinto potencial eléctrico. Típicamente la descarga que se produce cuando frotamos la alformbra o la ropa contra la piel y la electricidad salta desde nosotros a los componenente eletronicos.

En este diseño protejemos: la entrada de VBUS-OTG y VBUS-UART junto con las entradas D+ y D-.

USB-UART

Esquemático USB-UART
Esquemático USB-UART

USB-OTG

Esquemático USB-OTG
Esquemático USB-OTG