合宙低功耗4G模组Air780E——硬件设计手册01

 

Air780E是一款基于移芯EC618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。

 

本文将主要介绍Air780E的应用接口部分。

 

 

一、主要性能

Air780E模块功能框图：

 

模块型号列表：

 

模块主要性能：

 

*注: 模组工作在-40°C～-35°C或+75°C～+85°C温度范围时，模组可以正常工作，但部分射频指标不保证 能满足3GPP标准。

 

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Air780E各接口的功能。

2.1. 管脚描述

 

 

 

 

*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.PIN5内置模拟音频功能仅最新Air780E版本支持，请咨询合宙官方客服或销售人员。
 

3.二次开发GPIO复用功能详见《Air780E&Air780EG&Air700E_GPIO_table》 
 

4.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。
 

5.所有io都支持中断； 可以复用为wakeup的io支持双边沿或者高低电平中断，休眠以及唤醒状态下都能使用；
 

其余io仅支持单边沿或者单电平中断，唤醒状态下可用，休眠状态下不能使用。

 

 

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4所示。
 

VBAT输入参考电路:
 

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。 

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Air780E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 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， 只要VBAT管脚的电压大于开机电压即使软件调用关机接口，模块仍然会再开机起来。
 

另外，在此模式下，要想成功开机起来VBAT管脚电压仍然要大于软件设定的开机电压值（3.3V），如果不满足，模块会关闭，就会 出现反复开关机的情况。
 

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
 

低压自动关机：模块检测到低电压时关机，可以通过AT指令AT+CBC来设置低电压的门限值； 

 

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管脚电压低于软件设定的关机电压时（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. RESET_N 复位管脚拉低释放后，模块会处于硬件关机状态，如果想要重启功能，需要在RESET_N 复位后重新拉低POWERKEY关机进行开机动作。 

 

2.5. 串口 
 

模块提供了三个通用异步收发器：主串口MAIN_UART、AUX_UART、DBG_UART。 
 

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管脚定义:

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. 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。

2.5.5. 串口电压转换
 

Air780E 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
 

 

2.6. USB 接口
 

Air780E 的 USB 符合USB2.0 规范，支持高速（480Mbps）、全速（12Mbps）模式和低速（1.2Mbps） 模式。USB接口可用于AT命令传送，数据传输，软件调试和软件升级。
 

USB管脚定义：

 

USB接口参考设计电路如下：

 

注意事项如下：
 

1. USB走线需要严格按照差分线控制，做到平行和等长；
 

2. USB走线的阻抗需要控制到差分90欧姆； 
 

3. 需要尽可能的减少USB走线的stubs，减少信号反射；USB信号的测试点最好直接放在走线上以 减少stub； 

4.尽可能的减少USB走线的过孔数量；
 

5.在靠近USB连接器或者测试点的地方添加TVS保护管，由于USB的速率较高，需要注意TVS管 的选型，保证选用的TVS保护管的寄生电容小于1pF
 

6. VBUS作为USB插入唤醒作用，并不直接参与USB插入检测，非必须，在不需要USB插入唤醒的 场景也可以不接 
 

2.7. USB下载模式
 

 

 

Air780E模块进入USB下载模式： 在开机之前，把USB_BOOT上拉到VDD_EXT
 

2.8. I2C

 

Air780E可支持1路I2C接口：
 

• 兼容PhilipsI2C标准协议 支持Fastmode（400Kbps）和Slowmode（100Kbps）
   
• 只支持master模式，不支持slaver模式
   
• 可通过软件来配置内部的上拉电阻，1.8K或者20K 理论上最多可支持127个从设备 
   

I2C的参考电路如下：

 

Air780E 的 I2C 接口电压是1.8V/3.3V 可配置，通过PIN100IO_SEL配置IO口电平，能够满足大部分外 设的直接需求，

但是如果要和5V或者以上电平的外设通信，那就必须要加电平转换电路：

 

上图推荐用AGPIO3上拉，在不需要模块进入休眠的场景或者允许休眠掉电的场景也可以用VDD_EXT上拉 电平转换用的NMOS管必须选用结电容小于50pF的型号，推荐型号如下：

 

2.9. 模拟音频 

Air780E 模块内置的模拟语音输出功能，是合宙自主研发基于移芯EC618平台通过软件算法模拟，将 数字语音转换成模拟语音输出，从而实现声音的输出。弥补了EC618平台无内置音频解码器的不足。 
 

主要应用于音频类的应用场景开发，如收款喇叭，TTS，安防的语言播报相关应用场景。 
 

详细设计指导请参考《Air780E内置模拟语音功能使用说明》
 

 

 

参考电路如下：
 

 

注意： 
 

1. 由于PIN5为单端输出，容易受干扰，因此PIN5走线尽量短，且远离干扰信号线，如电源，天线等。且走 线包地保护
 

2.音频功放PIN3接地点要靠近780EPIN5。且与PIN5走线做差分走线
 

3.音频功放输出PIN8和PIN5要差分走线，尽量短，且远离4G天线。 
 

4. PIN106默认为音频功放控制管脚,要搭配使用，不建议用外部主控控制音频功放。 
 

5.内置模拟音频功能仅最新Air780E版本支持，请咨询合宙官方客服或销售人员。

 

未完待续。。。

由于文章篇幅原因，本文暂且先介绍到这里，下文将继续介绍SIM卡接口，LDO输出，功能管脚，射频接口，电气特性和结构规格等内容。