Технические характеристики

Основные параметры

Таблица 1 — Технические характеристики

Параметр	Значение	Примечание
Напряжение питания (внешнее)	5 В ± 10 %	Через разъём USB Type-C
Напряжение питания (внутреннее)	3,3 В	Выход DC-DC TPS63802
Тип и ёмкость АКБ	Li-Po, 250–500 мА·ч	В прототипе — LP233350, 310 мА·ч
Микроконтроллер	STM32F411CEU6	ARM Cortex-M4, до 100 МГц, кварц 8 МГц
Дисплей	TFT LCD 1,8″, 128 × 160	Контроллер ST7735S, интерфейс SPI
Внешняя память	16 МБ (W25Q128)	SPI Flash, игровой контент и настройки
Звук	Динамик + усилитель PAM8302	ШИМ-аудио с микроконтроллера
Интерфейс с ПК	USB FS, класс CDC	Загрузка ROM-pack, обновление ПО
Габариты устройства (макс.)	100 × 70 × 15 мм	—
Масса устройства (макс.)	200 г	С учётом АКБ и корпуса
Автономность (мин.)	1 ч	При максимальной яркости и нагрузке
Время полного заряда (макс.)	3 ч	—
Время запуска	не более 2 с	До появления главного меню
Частота кадров	не менее 20 FPS	Игровой движок
Степень защиты оболочки	не ниже IP30	ГОСТ 14254

Показатели надёжности

Расчёт надёжности выполнен по методике «Надёжность электрорадиоизделий, 2006» для модели эксплуатации 80 % (общий режим) / 20 % (режим хранения).

Показатель	Требование	Результат расчёта
Эксплуатационная интенсивность отказов Λэ	—	1,988 · 10⁻⁶ ч⁻¹
Вероятность безотказной работы P(t) за 8 760 ч	≥ 0,98	0,9827
Средняя наработка до отказа T₀	≥ 10 000 ч	≈ 503 132 ч

Заключение

Расчётные показатели надёжности существенно превышают требования технического задания — изделие удовлетворяет требованиям по безотказности.

Наибольший вклад в суммарную интенсивность отказов вносят графический ЖК-дисплей DISP1 (λ ≈ 8,8 · 10⁻⁷ ч⁻¹), микроконтроллер STM32 (λ ≈ 6,2 · 10⁻⁷ ч⁻¹) и аккумулятор AKB1 (λ ≈ 5,7 · 10⁻⁸ ч⁻¹).

Рисунок 1 — Столбчатая диаграмма эксплуатационной интенсивности отказов элементов изделия (доминируют DISP1 и STM32)

Результаты теплового моделирования

Тепловой анализ печатного узла выполнен в SolidWorks Simulation.

Рисунок 2 — Тепловая карта печатного узла (SolidWorks)

Параметр	Значение
Температура окружающей среды	≈ 298 К (25 °C)
Базовая температура поверхности платы	≈ 303 К (30 °C)
Максимальная температура (зона DC-DC / контроллера заряда)	≈ 358 К (85 °C)

Локальные нагревы сосредоточены в зоне преобразователя питания (TPS63802) и контроллера заряда (BQ24075). Цифровые и аналоговые цепи остаются в пределах нормального температурного диапазона.

Результаты механического моделирования

Механическое моделирование выполнено в SolidWorks Simulation. Проведено испытание на ударную нагрузку — падение собранного корпуса со вставленной платой с высоты 0,7 м на жёсткую поверхность (ускорение свободного падения 9,81 м/с²). Расчёт выполнен на криволинейной сетке высокого качества, время решения после удара — 82 мкс.

Параметр	Мин.	Макс.
Результирующее перемещение (URES)	0,015 мм	0,334 мм
Напряжение по Мизесу (VON)	≈ 0,035 МПа	≈ 210 МПа
Эквивалентная деформация (ESTRN)	1,67 · 10⁻⁷	1,66 · 10⁻²

Рисунок 3а — Перемещение (URES), макс. 0,334 мм

Рисунок 3б — Напряжение по Мизесу

Рисунок 3в — Эквивалентная деформация (ESTRN)

Максимальное перемещение 0,334 мм мало относительно габаритов сборки — выраженной потери формы после удара нет. Наибольшие перемещения приходятся на удалённые от опоры участки корпуса и крышки. Пиковое напряжение по Мизесу (≈ 210 МПа) локализовано в стальных крепёжных винтах М2 (предел текучести легированной стали ≈ 620 МПа), а в пластиковом корпусе напряжения не превышают ≈ 30 МПа — в пределах прочности PET (предел прочности при растяжении ≈ 57 МПа).

Материал	Применение в консоли	Модуль упругости E
PET (полиэтилентерефталат)	Лицевая «акриловая» панель, толкатели A/B/X/Y, колпачок джойстика, кнопка выключения	2,5–3,0 ГПа
Алюминиевый сплав 6061-T6	Задняя крышка консоли	68,9 ГПа
Стеклотекстолит FR-4 (E-Glass)	Печатная плата	72,0–72,4 ГПа
Латунь	Резьбовые втулки М2 под винты	97–110 ГПа
Легированная сталь	Крепёжные винты М2 с потайной головкой	200–210 ГПа

Заключение

Конструкция сохраняет работоспособность после удара при падении с высоты 0,7 м: напряжения в деталях лежат в пределах прочности применённых материалов. Корпус соответствует классу защиты от механических воздействий не ниже IK06 (энергия удара 1 Дж); органы управления выдерживают усилие нажатия до 5 Н.

Схема электрическая принципиальная

Схема электрическая принципиальная изделия (ревизия v0.1, 3 листа). Версия в высоком разрешении доступна в файле схема (PDF, Приложение 2).

Рисунок 4 — Схема электрическая принципиальная изделия (общий лист, Приложение 2)

Ниже отдельные функциональные блоки схемы крупным планом:

Рисунок 4, лист 1/3 — Цифровая часть: микроконтроллер STM32F411CEU6 и внешняя Flash W25Q128

Рисунок 4, лист 2/3 — Питание: USB Type-C, контроллер заряда BQ24075, DC-DC TPS63802, нагрузочный ключ TPS22919, ON/OFF контроллер ATTINY13A

Рисунок 4, лист 3/3 — Ввод/вывод: аудиоусилитель PAM8302, дисплей ST7735S, кнопки A/B/X/Y и 5-позиционный джойстик

Основные функциональные узлы изделия:

Вход питания USB-C — разъём TYPE-C-31-M-12 с ESD-защитой (ESDA7P60), делителем VBUS-sense и защитой линий D+/D− (USBLC6-2P6);
Power-path / зарядка — BQ24075 формирует «сырую» системную шину из USB или АКБ и заряжает Li-Po (LP233350, 310 мА·ч со встроенной защитой);
DC-DC преобразователь — TPS63802 buck-boost формирует стабильную линию 3,3 В;
ON/OFF контроллер — ATTINY13A управляет включением/выключением системы и переходом в сон (имитация LTC2954);
Микроконтроллер — STM32F411CEU6 с кварцем 8 МГц, развязкой VDDA через ферритовую бусину;
Внешняя Flash — W25Q128 по SPI3 (хранение контента и настроек);
Дисплей — ST7735S по SPI1 с управлением подсветкой через транзистор (линия BLK);
Аудиотракт — ШИМ-сигнал → RC-фильтр → усилитель PAM8302 → динамик.

Схемотехническое моделирование цепи питания

Электрические режимы цепи питания проверены в SPICE на этапе схемотехнического моделирования.

Примечание

В SPICE-модели использованы доступные эквиваленты узлов питания (контроллер заряда LTC4054, двойной диод-мультиплексор LM66200, LDO TPS7A05); в серийной схеме им соответствуют BQ24075 (power-path / заряд), нагрузочный ключ TPS22919 и DC-DC TPS63802. Модель подтверждает работоспособность архитектуры питания, а не конкретных корпусов.

Ток заряда задаётся резистором R_PROG = 6,8 кОм (I = 1000 / R_PROG) и составляет ≈ 147 мА. При глубоком разряде (2,8 В) контроллер обеспечивает мягкий старт током 10 мА до 2,9 В, далее идёт активная стадия заряда до 4,2 В.

Рисунок 6а — Заряд АКБ V(bat) при разбросе напряжения USB 4,5…5,5 В: мягкий старт и выход на 4,2 В

Рисунок 6б — Ток заряда −Ix(U1:BAT): полка ≈ 146 мА, соответствует расчёту

Рисунок 6в — Напряжения цепи питания: V(n001) — USB, V(n003) — АКБ, V(n002) — выход power-path, V(vcc) — выход LDO 3,3 В; I(l1) — ток нагрузки до 200 мА

Параметр	Сценарий 1 (работа от USB 5,5 В)	Сценарий 2 (заряженное устройство, USB вкл/выкл)
Средняя рассеиваемая мощность LDO	374 мВт	212 мВт
Пиковая мощность LDO	435 мВт	369 мВт
Мин. выходное напряжение (3,3 В)	3,29 В	3,23 В
Ток АКБ	147 мА (заряд)	−99 мА (разряд)
Напряжение на входе BAT_STAT (АЦП)	не более 2,09 В — безопасно для входа АЦП STM32

Минимальное напряжение питания МК (3,23 В) значительно выше порога перезапуска (2,7…2,9 В) — это подтверждает корректный выбор выходного конденсатора 4,7 мкФ. Цифровая часть (STM32, дисплей, Flash, органы управления) в SPICE отдельно не моделировалась: взаимодействие идёт по стандартным цифровым протоколам (SPI, GPIO), а в модели питания она учтена как динамическая нагрузка с пиковым током до 200 мА.

Топология печатной платы

Печатная плата 2-слойная и является несущей конструкцией изделия. Полная топология с трассировкой доступна в файле компоновка платы (PDF).

Рисунок 5а — Компоновка, верхняя сторона (дисплей ST7735S, МК, органы управления)

Рисунок 5б — Компоновка, нижняя сторона (АКБ, динамик, площадки SWD и ISP)

Художественная топология платы выполнена в индустриальной «skeleton»-эстетике: рисунок шёлкографии и медных полигонов является частью дизайна изделия.

Рисунок 5в — Художественная топология платы, верхняя сторона («CARD CONSOLE v0.1»)

Рисунок 5г — Художественная топология платы, нижняя сторона (динамик, аккумулятор)

Высокочастотные цепи USB и питания разнесены с цифровой частью МК, по линиям питания установлены ферритовые бусины и развязывающие конденсаторы.