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projects/pet-v1/电子宠物_PCB_V1.0_方案文档.md
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suyushi 087d8b694e Initial: knowledge base
2026-08-05 17:25:11 +08:00

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电子宠物 PCB V1.0 方案文档

版本：V1.0-S3FH4R2-IP5306 | 日期：2026-07-24 安静陪伴型桌面电子宠物，PCB裸片直贴版+IP5306充电方案 MCU: ESP32-S3FH4R2 (C3013940), QFN-56 7×7mm, 4MB Flash + 2MB PSRAM 充电IC: IP5306 (C181692), ESOP-8, 充电+锂电保护+升压 拓扑+BOM见：电子宠物_PCB_V1.0_拓扑连接图.md

1. 产品定义

安静陪伴型桌面电子宠物。不说话，不跑模型。豆豆眼表情交互+电子音反应。摸它有反应，吵了会不高兴，安静了会犯困。BLE预留换表情换声音。

壳子：PLA 3D打印，low-poly几何风或复古方盒。策略：先开源引流→有需求再卖成品套件。

产品定价100-150元，首单98元冲量，首批20-30台试水，卖不动直接开源。

2. 核心硬件

位号 功能 器件 封装 嘉立创编号 说明
U1 主控 ESP32-S3FH4R2 QFN-56 7×7mm C3013940 LX7双核240MHz, 4MB Flash+2MB PSRAM, 原生USB, 经济型SMT
U2 LDO ME6211A33PG-N SOT-89-3 C236673 3.3V/500mA, VIN改BAT电池供电
U3 功放 MAX98357AETE+T TQFN-16 3×3mm C910544 I2S输入Class D, VDD=3V3, GAIN_SLOT=3V3(6dB)
U4 充电IC IP5306 ESOP-8 C181692 充电+锂电保护+升压，BAT直供LDO
U5 加速度计 LIS3DHTR LGA-16 3×3mm C15134 三轴, I2C地址0x18
X1 晶振 TXM40M...4252... SMD2520-4P C284176 40MHz ±10ppm 15pF ESR 25Ω
J1 USB-C座 16P卧贴 SMD卧贴16P C2765186 5V/5A
F1/R8 0Ω跳线 0603WAF0000T5E 0603 C21189 过流由IP5306内部+USB-C CC下拉双重保障，位号改为R8
D3 TVS SMF5.0A单向200W SOD-123FL C19077497 VBUS过压保护，K接VBUS A接GND
D1 充电指示灯 LED红 0603 C2286 3V3→D1阳极→D1阴极→R2→IP5306 LED1
SPK1 贴片扬声器 FS-1340 SMD 13×13mm C482342 8Ω 0.7W，替代原外接喇叭
L3 功率电感 FXL0420-1R0-M SMD 4.4×4.2mm C167203 1.0µH 7A Isat，IP5306 DC-DC

3. 供电架构

供电链路

USB-C 5V → D3(TVS) → R8(0Ω) → IP5306 VIN → CC/CV充电 → 电池(4.2V) → BAT网络 → ME6211 → 3V3 → MAX98357A(VDD=3V3)
  • VBUS网络：IP5306 VIN + USB入口电容C9/C14 + IP5306去耦C23 + D3 TVS保护
  • BAT网络：IP5306 BAT脚 + 电池J3-1 + ME6211 VIN + C5/C25
  • 3V3网络：ME6211 VOUT → MCU+屏幕+加速度计+MAX98357A(VDD+GAIN_SLOT)+功放去耦C7/C8 + LED等逻辑供电
  • VOUT/SW网络：IP5306升压闭环，L3跨接SW↔VOUT，不接外部5V负载

IP5306充电行为

状态 LED1(Pin2) 说明
充电中 0.5Hz闪烁 1灯模式，正在充电
充满 常亮 自动停充4.2V
正常放电 常亮 电池供电中
低电(<3%) 1.5Hz快闪 需要充电

LED2/3/KEY悬空，不影响充电保护功能 充满自动停充，再充阈值4.1V，无需软件干预

4. GPIO完整映射

QFN-56物理Pin编号，GPIO15/16在QFN-56未引出，AMPSDMODE→GPIO13 GPIO14原LEDBREATHE重分配为LEDTEXT扩展输出口→J5-1

物理Pin GPIO 网络 功能 方向 备注
2 - 3V3 VDD3P3 PWR C1(100nF)紧贴到GND
3 - 3V3 VDD3P3 PWR C15(100nF)紧贴到GND
4 - RESET CHIP_PU 输入 10kΩ上拉3V3 + C4(1µF)去抖 + RESET键
5 GPIO0 BOOT 下载模式选择 输入 BOOT键接GND，上电拉低进下载
6 GPIO1 TOUCHHEAD 触摸-头部 触摸输入 TOUCH1, 铜箔TP1, J4-3
7 GPIO2 TOUCHLFACE 触摸-左脸 触摸输入 TOUCH2, 铜箔TP2, J4-2
8 GPIO3 NC - - Strapping:JTAG源选择，禁配输出
9 GPIO4 I2SBCLK I2S位时钟 输出 功放专用
10 GPIO5 I2SWS I2S字选择 输出 功放专用
11 GPIO6 TOUCHRFACE 触摸-右脸 触摸输入 TOUCH6, 从GPIO3迁入, 铜箔TP3, J4-1
12 GPIO7 AMPDIN 功放数据 输出 S3→MAX98357A
13 GPIO8 LCDRST 屏幕复位 输出
14 GPIO9 LCDDC 数据/命令 输出
15 GPIO10 LCDCS 片选 输出
16 GPIO11 LCDMOSI SPI数据 输出
17 GPIO12 LCDCLK SPI时钟 输出
18 GPIO13 AMPSDMODE 功放使能 输出 接MAX98357A SD_MODE, 防上电爆音（原GPIO15）
19 GPIO14 BATADC 电池电压ADC检测 输入(ADC) R14/R15分压中点，ADC2_CH3，4.2V→2.1V，3.0V→1.5V，源阻抗5kΩ
20 - 3V3 VDD3P3_RTC PWR C18(100nF)紧贴到GND
23 GPIO17 ACCELSCL I2C时钟 输出 4.7kΩ上拉3V3
24 GPIO18 ACCELSDA I2C数据 双向 4.7kΩ上拉3V3
25 GPIO19 USBDN USB D- 双向 原生USB，R9(22Ω)串联贴MCU端
26 GPIO20 USBDP USB D+ 双向 原生USB，R10(22Ω)串联贴MCU端
27 GPIO21 ACCELINT1 加速度计中断 输入 LIS3DH INT1, 动作中断唤醒
29 - 3V3 VDD_SPI PWR 独立电源脚，C22(100nF)紧贴到GND
46 - 3V3 VDD3P3_CPU PWR C21(100nF)紧贴到GND
49 GPIO43 TXD0 串口发送 输出 J6预留调试
50 GPIO44 RXD0 串口接收 输入 J6预留调试
51 GPIO45 GND Strapping下拉 - R12(10kΩ)下拉，VDD_SPI=3.3V
52 GPIO46 GND Strapping下拉 - R11(10kΩ)下拉，ROM打印/SPI Boot
55 - VDDA VDDA PWR 磁珠隔离→C19(100nF)紧贴到GND
56 - VDDA VDDA PWR 磁珠隔离→C20(100nF)紧贴到GND

已用GPIO：18个功能GPIO + GPIO3=NC + GPIO14=BATADC(电池检测) + GPIO45/46=Strapping下拉

5. 供电预算

模块 供电 工作电流
ESP32-S3 3V3 ~100mA（WiFi关）
ST7789V3背光 3V3 ~20mA
MAX98357A+喇叭 3V3 ~50mA中等(6dB)
LIS3DH 3V3 ~0.01mA（低功耗）
触摸 3V3 ~3mA
D1充电指示灯 3V3 ~2mA(1kΩ限流)
3V3合计 ~125mA
BAT合计 ~175mA平均/~400mA峰值

ME6211输出500mA余量充足。IP5306充电1.8A，500mA限流充电下ME6211+系统同时运行无压力。

6. 关键约束

  1. GPIO13重映射：原AMPSDMODE在GPIO15，QFN-56封装GPIO15未引出，重映射至GPIO13
  2. GPIO14=BATADC：电池电压ADC检测(ADC2_CH3)，R14/R15(各10kΩ)分压，BAT→R14→GPIO14→R15→GND，4.2V时测2.1V，3.0V时测1.5V，分压回路耗电约210µA，源阻抗5kΩ(ADC规范≤10kΩ)
  3. IP5306供电链路：USB-C 5V→D3(TVS)→R8(0Ω)→IP5306 VIN→充电→电池→BAT→ME6211→3V3；MAX98357A由3V3供电
  4. IP5306内置保护：充电CC/CV+过充/过放/过流/过温全内置，电池负极直连GND，不需DW01+8205A
  5. IP5306升压VOUT不接负载：VOUT-SW仅接L3电感闭环，5V升压不外接
  6. 充电指示灯：D1+R2(1kΩ)接IP5306 LED1(Pin2)，1灯模式：充电闪烁/充满常亮/放电常亮/低电快闪
  7. MAX98357A 3V3供电：VDD和GAIN_SLOT均接3V3（由ME6211 LDO输出），GAIN_SLOT接VDD=6dB增益
  8. GAIN_SLOT改6dB：从GND(12dB)改3V3(=VDD,6dB)，匹配FS-1340(0.7W)功率范围
  9. FS-1340贴片扬声器：SMD直贴替代原J3外接喇叭，Pad1=SPKP, Pad2=SPKN, Pad3/4=GND/NC
  10. J3位号重分配：原喇叭接口→锂电池接口(Pin1=BAT, Pin2=GND)
  11. H1改J6：UART调试排针→XH-4A座，位号改J6
  12. J5已删除：原XH-3P扩展口删除，GPIO14改为BATADC电池检测，不再引出扩展输出
  13. GPIO3 Strapping：JTAG源选择，无内部上下拉，已改NC；触摸-右脸迁至GPIO6；EFUSE_STRAP_JTAG_SEL未烧写GPIO3不参与启动配置浮空无影响
  14. GPIO45/46 Strapping：10kΩ外部下拉确保稳定
  15. FH4R2内置Flash/PSRAM：Pin28-37为内置Flash/PSRAM专用脚全NC；Pin28=SPICS1必须NC
  16. Pin29 VDD_SPI：独立电源脚，即使内置Flash也必须接3V3+100nF去耦
  17. 晶振电路：C284176(ESR 25Ω) + L1(24nH) + C16/C17(22pF)
  18. 电源去耦：每VDD脚紧贴100nF，共享10µF bulk；VDDA经磁珠隔离，C2升级10µF改善ADC纹波
  19. USB-C差分：D+/D-差分走线90Ω阻抗，各串22Ω电阻靠近MCU端
  20. MAX98357A SD_MODE：GPIO13控制防爆音，boot浮空→关断；R13(47kΩ 0402 C25792)外部下拉确保SD_MODE<1.4V
  21. LIS3DH：Pin10(RES)接GND，CS接高选I2C，INT1→GPIO21
  22. 仅BLE不开WiFi：BLE峰值30-50mA，ME6211裕度充足
  23. J6 UART不贴片：XH-4A座，TXD0/RXD0/GND/3V3
  24. R3/R4上拉：4.7kΩ标准I2C值，不跟GBC改10kΩ（电子宠物I2C未复用Strapping脚）
  25. R9/R10 USB串联：22Ω 0402(C25092)，D-/D+各一颗贴MCU端
  26. R8 0Ω跳线：C21189，串联J1 VBUS与VBUS网络之间（原F1 PTC位号）
  27. 5V大电容规则：VBUS线上≥1µF统一0603 10V防MLCC偏压降容
  28. 电池必须：没有电池的电子宠物是残次品
  29. 45×45mm方板：甜点尺寸，不够再扩50×50
  30. 单面贴经济型：双面贴进标准板费用太高
  31. D3 TVS过压保护：SMF5.0A单向200W SOD-123FL(K→VBUS, A→GND)，VBUS侧防浪涌和静电
  32. IP5306去耦升级：C23=10µF、C24=22µF 16V 0805(C45783)、C25=10µF，终审优化C24升16V防偏压降容
  33. D+/D-无ESD保护(跳过)：板子无余量放USBLC6-2SC6、需扩展库增加费用、充电为主D+/D-仅烧录偶尔使用风险可控

7. 设计变更记录

变更项 实验版 PCB V1.0模组版 PCB V1.0裸片版 PCB V1.0充电版 原因
MCU 开发板 S3-MINI-1-N8 S3FH4R2 S3FH4R2 裸片降本+经济型SMT
充电IC 无 无 无 IP5306(C181692) 电池必须有，集成充电+保护
供电链路 USB直供 VBUS→ME6211 VBUS→ME6211 USB→IP5306→电池→BAT→ME6211 充电+电池运行
功放供电 3V3 VBUS(5V) VBUS(5V) BAT(3.0~4.2V) V1.0一审→3V3(LDO输出)
GAIN_SLOT GND(12dB) GND(12dB) GND(12dB) BAT(6dB) V1.0一审→3V3(6dB)
喇叭 外接2828 外接J3 外接J3 FS-1340贴片SPK1 省连接器+省开孔
J3 - 喇叭2P 喇叭2P 锂电池2P 喇叭改贴片，J3位号重分配
H1 - UART排针 UART排针 J6 XH-4A座 统一XH座
J5 - 扩展口 扩展口 删除→XH-3P扩展输出 呼吸灯取消→二审后GPIO14引出J5(LEDTEXT)→三审后删J5改BATADC
D1/D2 - 上电指示灯 上电指示灯D2 D1充电指示灯 R8+D2上电灯→D1充电灯
R2 - 470Ω呼吸灯 470Ω J5限流 1kΩ充电灯限流 功能变更，位号继承
R8 - 470Ω上电灯 470Ω上电灯 删除 上电灯取消
D3 - - - SMF5.0A TVS 200W 三审新增VBUS过压保护，SOD-123FL
R14/R15 - - - 10kΩ×2分压 三审新增BATADC电池检测，源阻抗5kΩ
C23 - - - 1µF→10µF 三审IP5306去耦加大
C24 - - - 4.7µF→22µF 三审IP5306去耦加大
C25 - - - 2.2µF→10µF 三审IP5306去耦加大
GPIO14 - LEDBREATHE LEDBREATHE NC→LEDTEXT(J5-1)→BATADC(R14/R15 10kΩ分压，ADC2_CH3) 呼吸灯取消→二审引出J5→三审改为电池检测
板型 - 38×45mm 38×45mm 45×45mm方板 IP5306+外围+喇叭需要更大面积
F1 - - - PTC 500mA V1.0一审→0Ω跳线(R8)，IP5306内部保护
显示屏 - ST7735 240×240 ST7735 240×240 ST7735 240×240 V1.0一审→ST7789V3 320×172横屏
R13 - - - 无 V1.0一审→47kΩ防爆音下拉
C2 - 1µF 1µF 10µF C96446 终审优化VDDA bulk加大改善ADC纹波(W-08)
C24 - - 22µF 10V 0603 22µF 16V 0805 C45783 终审优化升级16V防MLCC偏压降容(W-07)

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