如何從零開始設計 ESP32-S3 開發板：4 層 PCB 設計教學

自行設計 ESP32-S3 Development Board，可以讓您完整掌控 Hardware Architecture，同時為 IoT Project 後續進入 Commercial Production 做好準備。

相較直接使用體積較大的 Off-the-Shelf Development Board，Custom Design 可以讓您：

• 最佳化 PCB Board Space
• 只引出實際需要的 GPIO
• 將 Peripheral 直接整合到同一塊 PCB
• 依實際產品需求規劃 Power、USB、Protection 與 Connector

本教學將從零開始設計一塊 4-Layer ESP32-S3 Development Board。

我們將完整介紹 Hardware Development Pipeline，包括 ESP32-S3 Schematic 架構、4-Layer PCB Stack-Up 規劃、PCB Routing Best Practices，以及如何準備可直接用於 JLCPCB PCB Fabrication 與 Assembly 的製造檔案。

完成後的 Development Board 包含：

• ESP32-S3-WROOM Module，支援 Wi-Fi 與 Bluetooth LE 5.0
• CP2102 USB-to-UART Interface，用於標準燒錄與 Debug
• Native USB OTG Type-C Connector，用於 USB Application
• Automatic Boot／Download Circuit，不需要每次手動按鍵進入燒錄模式
• AMS1117-3.3 V Regulator，搭配對應的 Power Filtering
• Reset 與 Boot Tactile Button，可進行手動 Hardware Control
• Onboard Status LED，包括 Power Indicator 與可由 GPIO2 控制的 LED
• TVS Diode Array，為兩組 USB Interface 提供 ESD Protection
• 兩排 20-Pin Header，間距設計可相容 Breadboard
• 4-Layer PCB Architecture，包含獨立 Internal Ground 與 Power Plane

圖：完成的 4-Layer ESP32-S3 Development Board，配置兩組 USB Type-C Connector。

Custom ESP32-S3 Development Board 硬體規格

Step 1：設計 ESP32-S3 Development Board 原理圖

進入 PCB Layout 之前，首先需要建立完整且可靠的 Schematic。

將 Schematic 拆分成不同 Functional Block，可以簡化 Design Verification，也有助於日後進行 Troubleshooting。

如果之前已經了解過如何設計 ESP32-S2 Module PCB，ESP32-S3 的 Core Circuit 會相對容易理解。不過 ESP32-S3 在 Pin Allocation 與 Dual-Core Architecture 等方面有所不同，因此仍需要仔細進行 Schematic Planning。

圖：ESP32-S3 Development Board 完整原理圖。

ESP32-S3 Core Circuit

這塊 Development Board 的核心是 ESP32-S3-WROOM Module。

依照 Espressif Hardware Design Guideline，Core Module 配置包括：

• 在 EN（CHIP_PU）Pin 上配置 RC Delay Circuit，以提供穩定的 Startup Delay。
• 在 GPIO0 配置必要的 Pull-Up Resistor，使 Boot Mode Configuration 保持可預測。
• 配置 Tactile Button，讓使用者可以手動執行 Hardware Reset 與 Boot Selection。

ESP32 Power Supply

這塊 Board 由 USB-C Port 的 5 V VBUS 供電。

AMS1117-3.3 Linear Regulator 將 5 V Input 降至 3.3 V System Rail。

為了降低 High-Power Wi-Fi TX Burst 期間出現 Voltage Drop 的風險，本文設計在 Regulator Input 端配置一顆 10 µF Bulk Electrolytic 或 Tantalum Capacitor，並在 3.3 V Output 端搭配一顆 10 µF Ceramic Capacitor。

此外，一顆 Red LED 會透過 Current-Limiting Resistor 連接至 3.3 V Rail，作為 Power Indicator。

USB Programming Interface

為了方便 Firmware Programming 與 Serial Monitoring，本設計加入以 CP2102 為核心的 Dedicated USB-to-UART Bridge。

CP2102 負責 USB-to-Serial Conversion，再將 UART RX／TX 與 ESP32-S3 UART0 連接。

如果需要採購 CP2102、Passive Component、Transistor 與其他 IC，可以透過 JLCPCB Parts Library 查詢相關元件。

Automatic Programmer Circuit

為了避免每次燒錄 Firmware 都必須手動按下 Boot／Reset Button，本設計整合 Automatic Programmer Circuit。

電路使用兩顆一般 NPN Transistor，由 USB-to-UART Bridge 的 DTR 與 RTS Signal 驅動，控制 EN 與 GPIO0 拉低，使 ESP32-S3 自動進入 Bootloader Mode。

Native USB OTG

ESP32-S3 內建 Full-Speed USB OTG Peripheral。

本文將 Native USB Data Line 直接 Routing 到第二組 USB Type-C Connector，並在 CC Pin 使用 5.1 kΩ Pull-Down Resistor。

USB Protection

USB Port 是容易受到 Electrostatic Discharge（ESD）影響的位置，因此本文在 VBUS、D+ 與 D− Pin 後方配置 Low-Capacitance ESD Protection Diode Array，將 Transient Voltage Spike 導向 Ground。

GPIO Header

為了引出 ESP32-S3 的 Functional Pin，本設計使用兩排 20-Pin Male Header。

兩排 Pin Row 的間距為 0.9 inch（22.86 mm），插入 Breadboard 後，Board 兩側各可保留一排 Breadboard Hole。

Status LED

Board 上配置兩顆 LED，方便進行 Visual Debugging：

表：ESP32-S3 Development Board 上的 Status LED 配置。

Decoupling Capacitor

為了維持穩定的 Power Delivery，Board 上每顆 IC 的 Power Input 都需要搭配適當的 Decoupling Capacitor：

表：ESP32-S3 Development Board 中使用的 Decoupling Capacitor。

Step 2：規劃 ESP32-S3 Development Board 的 4-Layer PCB Stack-Up

Schematic 完成之後，就可以進入 ESP32-S3 PCB Layout 階段。

對 ESP32-S3 這類具有 Wireless Connectivity 與 High-Speed Interface 的 Microcontroller，本文選擇使用 4-Layer PCB Stack-Up。

Internal Plane 可以為 High-Frequency Signal 提供連續 Return Path，有助於降低 Electromagnetic Interference（EMI），同時便於控制 USB Data Line 的 Impedance。

本文使用的 Stack-Up 如下：

表：ESP32-S3 Development Board 的 4-Layer PCB Stack-Up。

Step 3：進行 PCB Component Placement

合理的 Component Placement 是打造乾淨、低 Noise PCB Design 的基礎。

本文將所有 Active 與 Passive Component 都放置在 Top Layer，以簡化 Manufacturing 與 Assembly。

圖：Routing 前的 ESP32-S3 Development Board Component Placement。

主要 Component Placement 規則

1. ESP32-S3 Module： 將 Module 放置在 PCB 的一端。PCB Copper Plane 與 Trace 不應延伸至 Module Onboard PCB Antenna 下方。整個 Antenna Keep-Out Zone 在四個 Layer 上都應保持沒有 Copper，以避免影響 Wireless Signal Range。
2. USB-C Connector： 將兩組 USB Type-C Connector 對齊 PCB Edge。CP2102 應靠近 Programming USB Port，以讓 USB Differential Signal 保持短而直接。
3. Power Circuit： AMS1117 Regulator 與相關 Decoupling Capacitor 應靠近 USB 5 V Input，讓 High-Current Loop 集中在較小區域。
4. Decoupling Capacitor： 每顆 100 nF Bypass Capacitor 應直接靠近對應 Power Pin。本文的 Routing 方式是讓 Power Connection 經過 Capacitor Pad 附近後再進入 IC Pin，並在 Capacitor Ground Pad 旁配置 Ground Via，以縮短 Return Current Path。

圖：將 Decoupling Capacitor 靠近 Target IC，並在 Capacitor Ground Pad 旁配置 Ground Via，以縮短 Return Current Path。

Step 4：Routing ESP32-S3 PCB

PCB Routing 會把 Schematic 中的 Electrical Connection 轉換成實際 Copper Trace。

本文需要特別注意 Differential Pair 與 Power Routing。

圖：完成 Signal Trace 與 Power Routing 的 ESP32-S3 PCB。

1. 優先 Routing Critical Signal

首先 Routing USB Differential Pair，再處理其他 Signal。

可以使用 JLCPCB PCB Impedance Calculator，根據實際 PCB Stack-Up 計算需要的 Trace Width 與 Spacing。

在本文設計所使用的 Stack-Up 中，6 mil Trace Width 與 10 mil Gap 用於達到目標 90 Ω Differential Impedance。

D+ 與 D− Trace 應：

• 保持 Parallel Routing
• 盡量維持相近 Length
• 在可能的情況下避免不必要 Via

圖：JLCPCB PCB Impedance Calculator，本文範例設定 6 mil Trace、10 mil Gap，以取得 90 Ω USB Differential Pair。

圖：90 Ω USB Differential Pair Routing。

Differential Pair 應盡量維持 Equal Length。如果長度不同，可以透過 PCB Design Software 進行 Length Tuning。

圖：透過 Equal-Length Tuning 讓 Differential Pair Trace Length 相匹配。

2. 連接 Power 與 Ground Plane

與其在整塊 PCB 上使用細長的 3.3 V Trace，本設計透過 Via 直接連接至 Layer 3 Power Plane。

Ground Connection 則直接透過 Via 連接 Layer 2 Ground Plane。

這種 Low-Impedance Connection 可以降低 Connection 中的 Parasitic Effect。

圖：3.3 V Via 與 Trace 連接 Power Plane。

3. 依 Current-Carrying Capacity 設定 PCB Trace Width

本文設計中的一般 Signal Trace Width 約為 6–8 mil。

Power Line 則使用較寬的 Trace，原文設定為至少約 15–25 mil，或直接使用 Dedicated Polygon Pour，以處理 Wireless Transmission 期間最高約 500 mA 的 Current Demand。

Step 5：加入 Ground Copper Pour 與 Via Stitching

Routing 完成後，在 Top 與 Bottom Signal Layer 加入 Solid Ground Copper Pour。

圖：完成 Ground Copper Pour 與 Ground Stitching Via 的 ESP32-S3 PCB。

這些 Ground Copper Pour 可以作為 Shielding 的一部分。

為了讓不同 Ground Region 彼此連接，本設計進一步加入 Via Stitching。

原文設計在 PCB Perimeter 周圍約每 2–3 mm 配置 Ground Via，以形成類似 Via Fence／Faraday Cage 的結構，降低 EMI。

Step 6：進行最終 PCB Check 與 Design Rule Check（DRC）

輸出 Fabrication File 之前，應完成以下 Visual 與 Automated Check：

• Silkscreen Cleanup： 在 Top Silkscreen 上清楚標示所有 GPIO Pin。標記 Reset（RST）與 Boot（BOOT）Button，並加入 Status LED 的 Polarity Mark。
• Design Rule Check（DRC）： 依 PCB Manufacturer 提供的實際 Clearance、Minimum Trace Width 與 Drill Hole Constraint 設定 PCB Design Software DRC，確認設計位於允許的 Fabrication Tolerance 內。

Step 7：產生 ESP32-S3 PCB Manufacturing File

PCB Layout 通過 DRC 後，就可以輸出 Production 所需的檔案。

標準 PCB Fabrication 通常需要：

• Gerber Files
• Excellon Drill Files

如果希望使用 Automated Assembly Service，還需要：

• Bill of Materials（BOM）： 列出 Part Number、Reference Designator 與 Package 等 Component Information 的表格。
• CPL／Centroid File： 包含每顆 Component 的 X-Y Coordinate 與 Rotation Angle。

正式輸出前，應再次確認 Component Footprint 與 BOM 中指定的實際 Component Package 完全一致。

Step 8：透過 JLCPCB 製作 ESP32-S3 Development Board

完成所有檔案後，即可進入 PCB Ordering Process：

1. 前往 JLCPCB 報價頁面，上傳已壓縮的 Gerber ZIP File。
2. Online Gerber Viewer 會解析檔案，並顯示 PCB Layer、Drill Hole 與 Board Dimension 的 Visual Preview。
3. 設定實際 PCB Manufacturing Parameter，例如 Layer Count、PCB Thickness、Solder Mask 與 Surface Finish。

圖：將 Gerber Files 上傳至 JLCPCB 進行 PCB Fabrication。

原文對一般 Prototype Run 列出的標準設定包括：

• PCB Thickness： 1.6 mm，或需要稍薄 Profile 時使用 1.2 mm。
• Solder Mask Color： Green、Blue、Black、Red 或 Yellow。
• Surface Finish： 基礎 Prototype 可選 HASL（含鉛），或使用 ENIG（Electroless Nickel Immersion Gold，化學鎳金）取得更平坦的 Pad 與良好 Solderability。

Step 9：組裝 ESP32-S3 Development Board

相較手工焊接 CP2102 與 USB-C Connector 等 Fine-Pitch Component，也可以使用 JLCPCB PCB Assembly，並上傳前面產生的 BOM 與 Pick and Place（CPL）File。

在 Automated SMT Assembly Process 中，工廠會先透過 Precision Stencil 印刷 Solder Paste，再利用 Pick-and-Place Machine 放置 Component，最後經過 Multi-Zone Reflow Soldering 完成焊接。

ESP32-S3 Development Board PCB 製造流程

表：從 ESP32-S3 PCB Design 到透過 JLCPCB 完成 Manufacturing 的完整流程。

結論

自行設計 Custom ESP32-S3 Development Board，是從 Development Module 進一步邁向完整 Hardware Design 的重要一步。

從簡單的 2-Layer Layout 轉向較完整的 4-Layer Architecture，可以利用 Dedicated Ground／Power Plane 改善 Power Distribution、Return Path 與 High-Speed Signal Routing。

透過本文的完整 Design Workflow——從 Schematic Functional Block、Component Placement、適當 Trace Width、Differential Pair Routing，到最終 Design Rule Verification——可以降低 Board Respin 與 Hardware Bug 的風險。

完成 Gerber、BOM 與 CPL 後，再搭配 Automated Assembly Service，就可以把螢幕上的 ESP32-S3 Design 進一步轉換為真正完成製造與組裝的 Development Board。

ESP32-S3 PCB Design 常見問題