トラ技Wi-Fi ESP-WROOM-32 搭載Arduino互換ボード IoT Express の起動が安定しない

レギュレータの入力側と出力側の両方にコンデンサを入れる

コンデンサを追加する場合、ESP32モジュール側の3.3V電源にコンデンサを追加するのが基本的な対策方法です。しかし、入力側の5V電源への追加を併用することも重要です。5V側に追加することで、3.3V側に比べて約4倍のエネルギー供給が可能だからです。

さて、コンデンサに蓄積可能な最大エネルギーはコンデンサの容量に比例します。ところが実際に充電によって蓄積されるエネルギーは電圧の二乗に比例します。つまり、5Vと3.3Vでは2.3倍（5^2/3.3^2）も実蓄積量が異なります。

さらに、ESP32の電源電圧降下を救うために利用可能なエネルギーは、ESP32の最小動作電圧2.8Vまでに放電可能なエネルギーに限られます。

上式より、LDOの電圧降下分を0.3Vとすると、5V側にコンデンサを追加した方が、3.3V側に追加したときに比べて、約4倍のエネルギーを利用できることが分かります。

ただし、LDOによる電流制限や応答速度を加味すると、瞬時（30usくらいの時間）については、3.3V側からしか十分に供給できません。また、リセッタブルヒューズによって電源ラインの全体的に電圧が低下した状態では、3.3V側に、より大きな容量が必要となります（リセッタブルヒューズが無ければ、定常電圧も上昇し、容量が低減できる）。したがって、5V側にコンデンサを追加したからと言って、3.3V側のコンデンサを減らすことは出来ません。

下図は、3.3V側に16SEPF1000Mを2つ入れた時（灰色）と、5V側と3.3Vに1つづつ入れた時（黒色）の比較です。合計の容量は同じですが、3.3V側に2つ入れた場合は、約10msの時間経過につれて電圧が下がってゆく様子が分かります。片方を5V側に入れた方は、電圧低下が少なく、まだまだ供給能力に余裕あることが分かります。

黒色　＝　5Vと3.3Vに各1つのコンデンサ（C4とC9に16SEPF1000M）
灰色　＝　3.3Vに計2つのコンデンサ（C2とC4に16SEPF1000M）
波線　＝　起動可能な最低電圧 2.7V (ただし、仕様上は2.8V以上が必要)

その他の留意点

容量の大きなコンデンサを使用する場合は、コンデンサに充電または放電されるときの突入電流が大きくなる場合があるので、コンデンサの最大許容電流仕様を確認しておく必要があります。

充放電電流が許容値を超過
した状態で使い続けると、性能が劣化するだけでなく、発煙・発火・爆発などの事故が発生する恐れがあるので、ご注意ください。

リセッタブルヒューズの抵抗値は周囲温度によって上昇します。このためESP32の起動に失敗してリセッタブルヒューズの温度が上がってしまった場合や、環境温度が高かった場合や、動作時の基板の温度上昇、半田付け直後などといった場合に、大幅な電圧降下が発生し、起動しなくなる場合が考えられます。その場合、USBを抜き、数10秒から数分程度、冷ましてから電源を入れ直すと良いでしょう。

上図のとおり、実験を目的とした利用範囲であれば、十分なマージン（0.3V程度）を得ています。