合宙低功耗4G模组Air780EP——硬件设计01

 

Air780EP是一款基于移芯EC718P平台设计的LTECat1无线通信模组。
 

支持FDD-LTE/TDD-LTE的4G远距离无线 传输技术。
 

另外，模组提供了USB/UART/I2C等通用接口满足IoT行业的各种应用诉求。
 

 

一、主要性能

1.1  Air780EP模块功能框图

 

 

1.2  型号信息 

模块型号列表 ：

 

 

 1.3 主要性能 

 

 

 

 二、应用接口 

模块采用LGA封装，109个SMT焊盘管脚，
 

以下章节将详细阐述Air780EP各接口的功能
 

2.1. 管脚描述

 

 

 

特别注意：
 

1. AT 指令集暂不支持GPIO及特除功能进行操作,具体标注为上表中带“*”的管脚。
 

2. 二次开发GPIO复用功能详见对应《_GPIO_table》 
 

3.LDOAON 为芯片内部部分GPIO供电电源，由此电源供电的IO口休眠状态下能够保持。
 

4.所有GPIO 和wakeuppad 都支持双边沿中断； 可以复用为wakeup的io，休眠以及唤醒状态下都能使用； 其余io唤醒状态下可用，休眠状态下不能使用； wakeup io 可以唤醒休眠，其余GPIO都不可以。 

 

IO参数定义：

2.2  工作模式

下表简要的叙述了接下来几章提到的各种工作模式。

 

注意： 
 

• 当模块进入休眠模式或深度休眠模式后，VDD_EXT电源会掉电，相应电压域的GPIO以及串口 （MAIN_UART除外）均会处于掉电关闭状态，掉电IO口均无法响应中断，无法唤醒模块退出休眠模 式。
   
• 模块进入休眠状态后只能通过以下管脚中断唤醒退出休眠模式。
   

 

2.3  电源供电
 

 

2.3.1.模块电源工作特性 
 

在模块应用设计中，电源设计是很重要的一部分。
 

由于LTE射频工作时最大峰值电流高达1.5A，在最大发 射功率时会有约700mA的持续工作电流，电源必须能够提供足够的电流，不然有可能会引起供电电压的跌落甚 至模块直接掉电重启。 
 

2.3.2.减小电压跌落 
 

模块电源VBAT电压输入范围为3.3V~4.3V，但是模块在射频发射时通常会在VBAT电源上产生电源电压跌落 现象，
 

这是由于电源或者走线路径上的阻抗导致，一般难以避免。
 

因此在设计上要特别注意模块的电源设计.
 

 在VBAT输入端，建议并联一个低ESR(ESR=0.7Ω)的100uF的钽电容，以及100nF、33pF、10pF滤波电容，
 

VBAT输 入端参考电路如图所示。
 

 

并且建议VBAT的PCB走线尽量短且足够宽，减小VBAT走线的等效阻抗，确保在最大 发射功率时大电流下不会产生太大的电压跌落。建议VBAT走线宽度不少于1mm，并且走线越长，线宽越宽。

 

 

2 .3.3. 供电参考电路
 

电源设计对模块的供电至关重要，必须选择能够提供至少1A电流能力的电源。
 

若输入电压跟模块的供电 电压的压差小于2V，建议选择LDO作为供电电源。
 

若输入输出之间存在的压差大于2V，则推荐使用开关电源转 换器以提高电源转换效率。
 

LDO供电： 
 

下图是5V供电的参考设计，采用了Micrel公司的LDO，型号为MIC29302WU。
 

它的输出电压是4.16V，负载 电流峰值到3A。
 

为确保输出电源的稳定，建议在输出端预留一个稳压管，并且靠近模块VBAT管脚摆放。
 

建议 选择反向击穿电压为5.1V，耗散功率为1W以上的稳压管。

LDO供电输入参考设计：
 

DC-DC 供电： 
 

下图是DC-DC开关电源的参考设计，采用的是杰华特公司的JW5033S开关电源芯片，它的最大输出电流 是2A，输入电压范围3.7V~18V。
 

注意C25的选型要根据输入电压来选择合适的耐压值。
 

DCDC供电输入参考设计：

 

2.4. 开关机

2.4.1. 开机 

 

在VBAT供电后，可以通过如下两种方式来触发Air780EP开机： 
 

1. 按键开机: PWRKEY管脚通过轻触按键连接到地，按键按下1秒以上实现开机。
 

2. 上电开机：将PWRKEY管脚直接短接到地，VBAT上电后就可以实现开机。 
 

2.4.1.1 PWRKEY 管脚开机 
 

VBAT上电后，可以通过PWRKEY管脚启动模块，把PWRKEY管脚拉低1秒以上之后模块会进入开机流程，软 件会检测VBAT管脚电压，若VBAT管脚电压大于软件设置的开机电压（3.3V），会继续开机动作直至系统开机完成；否则，会停止执行开机动作，系统会关机，开机成功后PWRKEY管脚可以释放。可以通过检测VDD_EXT 管脚的电平来判别模块是否开机。推荐使用开集驱动电路来控制PWRKEY管脚。
 

下图为开集驱动参考开机电路：

 

另一种控制PWRKEY管脚的方法是直接使用一个按钮开关。
 

按钮附近需放置一个TVS管用以ESD保护。
 

下图为按键开机参考电路 ：

 

2.4.1.2 上电开机
 

将模块的PWRKEY直接接地可以实现上电自动开机功能。
 

需要注意，在上电开机模式下，将无法关机。 
 

对于用电池供电的应用场景不建议用PWRKEY接地的上电自动开机方式。

2.4.2. 关机 
 

以下的方式可以关闭模块：
 

• 正常关机：使用PWRKEY管脚关机 
   
• 正常关机：通过AT指令AT+CPOWD关机
   

2.4.2.1 PWRKEY 管脚关机 
 

PWRKEY 管脚拉低1.5s以上时间，模块会执行关机动作。
 

关机过程中，模块需要注销网络，注销时间与当前网络状态有关，经测定用时约2s~12s，因此建议延长 12s后再进行断电或重启，以确保在完全断电之前让软件保存好重要数据。
 

时序图如下：

 

 

2.4.2.2 低电压自动关机
 

模块在运行状态时当VBAT管脚电压低于模块工作的最低工作电压时（默认设置3.3V），软件会执行关机 动作关闭模块，以防低电压状态下运行出现各种异常。
 

2.4.3.复位

 

 

RESET_N 引脚可用于使模块复位。
 

拉低RESET_N引脚100ms以上可使模块复位。
 

RESET_N信号对干 扰比较敏感，因此建议在模块接口板上的走线应尽量的短，且需包地处理。 
 

参考电路：
 

 

注意：
 

1. 复位功能建议仅在AT+CPOWD和PWRKEY关机失败后使用。
 

2.5. 串口 
 

模块提供了4个通用异步收发器：主串口MAIN_UART、AUX_UART、DBG_UART、UART3。
 

2.5.1. MAIN_UART 
 

MAIN_UART 管脚定义：

对于AT开发方式， MAIN_UART用来进行AT指令通讯。
 

MAIN_UART支持固定波特率,不支持自适 应波特率 在默认情况下，模块的硬件流控是关闭的。
 

当客户需要硬件流控时，管脚RTS,CTS必须连接到客户端，AT 命令“AT+IFC=2,2”可以用来打开硬件流控。AT命令“AT+IFC=0,0”可以用来关闭流控。具体请参考《AirM2M无线 模块AT命令手册》。 
 

MAIN_UART在休眠状态下保持的功能，能够唤醒模块 。

 

MAIN_UART的特点如下： 
 

• 包括数据线TXD和RXD，硬件流控控制线RTS和CTS。 
   
• 8个数据位，无奇偶校验，一个停止位。 
   
• 硬件流控默认关闭。
   
• 用以AT命令传送，数传等。 支持波特率如下：600,1200,2400,4800,14400,9600,19200,38400,57600,115200,230400,460800,921600bps 
   

注意： MAIN_UART在开机过程中短时会输出固定调试信息 
 

2.5.2. AUX_UART

 

 

AUX_UART为辅助串口，不支持AT指令交互，用于某些外设通信，如对接GNSS等。 
 

AUX_UART休眠后会关闭，无法通过给AUX_UART发送数据进行唤醒。
 

 

2.5.3. DBG_UART

DBG_UART用来软件调试时输出APtrace，建议预留测试点。
 

DBG_UART在开机过程中短时会输出固定调试信息。
 

DBG_TX、DBG_RX默认功能为系统底层日志口，进行模块硬件设计时，在剩余功能引脚充足的前提 下，避免使用DBG_TX和DBG_RX。 
 

如果将此引脚复用为其他功能，则无法从DBG_TX和DBG_RX抓取系统日志。
 

在某些场景下，如果模块出现异常，无法抓到问题日志，只能通过硬件改版，引出DBG_TX、 DBG_RX，抓取日志再进行分析。
 

包括但不限于以下两种场景： 

1、低功耗场景： 在低功耗场景下，USB无法使用，只能通过DBG_TX、DBG_RX来抓取日志。
 

2、非低功耗场景： 模块接入USB时，工作正常，未接入USB时，工作异常的情况，只能通过DBG_TX、DBG_RX来抓取 日志。
 

2.5.4. UART3
 

 

如果使用不到LCD功能，可以再复用一组UART3 
 

2.5.5. 串口连接方式
 

串口的连接方式较为灵活，如下是三种常用的连接方式。
 

三线制的串口请参考如下的连接方式：
 

 

带流控的串口连接请参考如下电路连接，此连接方式可提高大数据量传输的可靠性，防止数据丢失。
 

带流控的串口连接方式示意图 ：

 

2.5.6. 串口电压转换
 

Air780EP 模块的串口电平为1.8V或3.3V，通过PIN100IO_SEL配置IO口电平，能够满足大部分外设， 主控的串口直接需求，

但是如果要和5V或者以上的MCU或其他串口外设通信，那就必须要加电平转换 电路： 

电平转换参考电路如下：

注意：

• 此电平转换电路不适用波特率高于460800bps的应用。 
   
• 由于休眠状态下VDD_EXT会掉电，因此如果在需要休眠的应用场景用VDD_EXT做串口电平转换上拉的话， 会导致模块无法休眠的情况。因此在需要进入休眠的场景下，建议用AGPIO3进行上拉。 
   
• D2必须选用低导通压降的肖特基二极管。
   

肖特基二极管以及NPN三极管的推荐型号如下：

 

对于波特率高于460800bps的应用，可以通过外加电平转换芯片来实现电压转换，参考电路如下：

 

 

此电路采用的是电平转换芯片是TI的TXS0108E，8位双向电压电平转换器，
 

适用于漏极开路和推挽应用， 
 

最大支持速率： 
 

推挽：110Mbps 
 

开漏：1.2Mbps

 

​

 未完待续。。。 

下文会继续介绍Air780EP的硬件设计，包括应用接口部分的I2C，SIM卡接口，功能管脚和射频接口，电气特性等内容。