合宙低功耗4G模組Air780EP——硬件設(shè)計(jì)02

Air780EP是一款基于移芯EC718P平臺(tái)設(shè)計(jì)的LTECat1無(wú)線通信模組。

支持FDD-LTE/TDD-LTE的4G遠(yuǎn)距離無(wú)線 傳輸技術(shù)。

另外，模組提供了USB/UART/I2C等通用接口滿足IoT行業(yè)的各種應(yīng)用訴求。

在上文介紹了Air780EP的主要性能和應(yīng)用接口中的管腳描述，電源供電，開(kāi)關(guān)機(jī)，串口等硬件設(shè)計(jì)。

上文鏈接：合宙低功耗4G模組Air780EP——硬件設(shè)計(jì)01-電子發(fā)燒友網(wǎng) (elecfans.com)

本文將主要介紹Air780EP的應(yīng)用接口,射頻接口，電氣特性，結(jié)構(gòu)規(guī)格等內(nèi)容。

二、應(yīng)用接口

2.6 USB接口

Air780EP 的 USB 符合USB2.0 規(guī)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命令傳送，數(shù)據(jù)傳輸，軟件調(diào)試和軟件升級(jí)。

USB管腳定義：

USB接口參考設(shè)計(jì)電路如下：

注意事項(xiàng)如下：

1. USB走線需要嚴(yán)格按照差分線控制，做到平行和等長(zhǎng)；

2. USB走線的阻抗需要控制到差分90歐姆；

3. 需要盡可能的減少USB走線的stubs，減少信號(hào)反射；USB信號(hào)的測(cè)試點(diǎn)最好直接放在走線上以 減少stub；

4.盡可能的減少USB走線的過(guò)孔數(shù)量；

5.在靠近USB連接器或者測(cè)試點(diǎn)的地方添加TVS保護(hù)管，由于USB的速率較高，需要注意TVS管 的選型，保證選用的TVS保護(hù)管的寄生電容小于1pF;

6. VBUS作為USB插入喚醒作用，并不直接參與USB插入檢測(cè)，非必須，在不需要USB插入喚醒的 場(chǎng)景也可以不接.

2.7. USB下載模式

Air780EP模塊進(jìn)入U(xiǎn)SB下載模式：

在開(kāi)機(jī)之前，把USB_BOOT上拉到VDD_EXT

2.8. I2C

Air780EP可支持兩路I2C接口：

• 兼容PhilipsI2C標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議 ?支持Fastmode（400Kbps）和Slowmode（100Kbps）
  
• 只支持master模式，不支持slaver模式
  
• 可通過(guò)軟件來(lái)配置內(nèi)部的上拉電阻，1.8K或者20K
  
• 理論上最多可支持127個(gè)從設(shè)備

I2C的參考電路如下：

Air780EP 的 I2C 接口電壓是1.8V/3.3V 可配置，通過(guò)PIN100IO_SEL配置IO口電平，能夠滿足大部分 外設(shè)的直接需求，

但是如果要和5V或者以上電平的外設(shè)通信，

那就必須要加電平轉(zhuǎn)換電路：

上圖推薦用AGPIO3上拉，在不需要模塊進(jìn)入休眠的場(chǎng)景或者允許休眠掉電的場(chǎng)景也可以用VDD_EXT上拉

電平轉(zhuǎn)換用的NMOS管必須選用結(jié)電容小于50pF的型號(hào)，推薦型號(hào)如下：

2.9. SIM卡接口

Air780EP支持2路SIM卡接口，支持ETSI和IMT-2000卡規(guī)范，支持1.8V和3.0VUSIM卡。

以滿足雙SIM 卡切換的需求。

2.9.1. SIM接口

下表介紹了SIM接口的管腳定義。

2.9.2. 雙SIM卡切換說(shuō)明

Air780EP 支持雙卡單待，同一時(shí)間只能使用其中一個(gè)SIM通道。

可以通過(guò)相應(yīng)的AT指令進(jìn)行SIM卡 通道切換：

或者選擇自動(dòng)切換功能，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)外部網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行自動(dòng)切換（自動(dòng)切換功能通常用 于同時(shí)使用不同運(yùn)營(yíng)商SIM卡的場(chǎng)景）。具體指令請(qǐng)參考《4G模塊AT命令手冊(cè)》

注意：

• 模塊開(kāi)機(jī)會(huì)默認(rèn)檢測(cè)SIM1通道，在SIM1通道檢測(cè)到SIM卡不在位的情況下才會(huì)去檢測(cè)SIM2通 道。
  
• USIM_DET信號(hào)為SIM卡插拔檢測(cè)管腳，上下邊沿電平觸發(fā)中斷，觸發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行SIM1通道的卡 在位檢測(cè)。而SIM2通道不支持SIM卡插拔檢測(cè)。
  
• 對(duì)于內(nèi)置貼片SIM卡的雙卡應(yīng)用場(chǎng)景，如網(wǎng)絡(luò)攝像頭（IPC）場(chǎng)景，建議將貼片SIM卡置于SIM2 通道，外置插拔SIM卡座置于SIM1通道，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)先使用外置插拔SIM卡的效果。
  

2.9.3. SIM 接口參考電路

下圖是SIM接口的參考電路，使用6pin的SIM卡座。

如果需要用到sim卡在位檢測(cè)，推薦電路如下。

在SIM卡接口的電路設(shè)計(jì)中，為了確保SIM卡的良好的功能性能和不被損壞，在電路設(shè)計(jì)中建議遵循以下設(shè)計(jì) 原則：

1. SIM卡座與模塊距離擺件不能太遠(yuǎn)，越近越好，盡量保證SIM卡信號(hào)線布線不超過(guò)20cm。
   
2. SIM卡信號(hào)線布線遠(yuǎn)離RF線和VBAT電源線。
   
3. 為了防止可能存在的USIM_CLK信號(hào)對(duì)USIM_DATA信號(hào)的串?dāng)_，兩者布線不要太靠近，在兩條走線之間增 加地屏蔽。且對(duì)USIM_RST_N信號(hào)也需要地保護(hù)。
   
4. 為了保證良好的ESD保護(hù)，建議加TVS管，并靠近SIM卡座擺放。選擇的ESD器件寄生電容不大于50pF。在 模塊和SIM卡之間也可以串聯(lián)22歐姆的電阻用以抑制雜散EMI，增強(qiáng)ESD防護(hù)。SIM卡的外圍電路必須盡量 靠近SIM卡座。
   
5. 在需要模塊進(jìn)入休眠的場(chǎng)景SIM_DET禁止用VDD_EXT上拉，否則會(huì)造成無(wú)法休眠的問(wèn)題。建議用AGPIO3上 拉，或者用SIM_DETIO內(nèi)部上拉的方式
   

2.10. LDO 輸出

注意：

• VDD_EXT作為大部分IO的內(nèi)部供電，在模塊進(jìn)入休眠后會(huì)掉電關(guān)閉，以降低功耗。
  
• VDD_EXT在模塊休眠期間，會(huì)隨著模塊底層頻繁喚醒做網(wǎng)絡(luò)交互以維持網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)狀態(tài)?？陀^上造成 VDD_EXT 在模塊休眠期間輸出周期不等的高脈沖，如果用VDD_EXT做某些IO如喚醒IO管腳，或者 MAIN_UART 的上拉，就會(huì)造成頻繁觸發(fā)IO中斷導(dǎo)致模塊無(wú)法進(jìn)入休眠。
  
• 在需要休眠的場(chǎng)景可以用AGPIO3進(jìn)行上拉
  

2.11. 功能管腳

2.11.1. MAIN_RI

MAIN_RI 信號(hào)動(dòng)作:

如果模塊用作主叫方，MAIN_RI會(huì)保持高電平，收到URC信息或者短信時(shí)除外。而模塊用作被叫方時(shí)， MAIN_RI 的時(shí)序如下所示：

語(yǔ)音呼叫時(shí)模塊用作被叫方MAIN_RI時(shí)序:

數(shù)據(jù)呼叫時(shí)模塊用作被叫方MAIN_RI時(shí)序:

模塊主叫時(shí)MAIN_RI時(shí)序:

收到URC信息或者短信時(shí)MAIN_RI時(shí)序:

2.11.2. MAIN_DTR

模塊支持兩種睡眠模式：

睡眠模式1：發(fā)送AT+CSCLK=1，通過(guò)MAIN_DTR管腳電平控制模塊是否進(jìn)入睡眠

睡眠模式2：發(fā)送AT+CSCLK=2，模塊在串口空閑一段時(shí)間后自動(dòng)進(jìn)入睡眠

具體參閱2.12.2睡眠模式

2.11.3.狀態(tài)指示燈

Air780EP用一個(gè)管腳來(lái)指示開(kāi)機(jī)狀態(tài)，用兩個(gè)管腳信號(hào)來(lái)指示網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)。

如下兩表分別描述了管腳定義 和不同網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下的邏輯電平變化：

表格1：網(wǎng)絡(luò)指示管腳定義

表格2：指示網(wǎng)絡(luò)管腳的工作狀態(tài)

指示燈參考電路如下圖所示：

2.12. 省電功能

根據(jù)系統(tǒng)需求，有兩種方式可以使模塊進(jìn)入到低功耗的狀態(tài)。

對(duì)于AT版本使用“AT+CFUN”命令可以使模塊 進(jìn)入最少功能狀態(tài)。

2.12.1. 最少功能模式/飛行模式

最少功能模式可以將模塊功能減少到最小程度，此模式可以通過(guò)發(fā)送“AT+CFUN=”命令來(lái)設(shè)置。

參數(shù)可以選擇0，1，4。

• 0：最少功能（關(guān)閉RF和SIM卡）；
  
• 1：全功能（默認(rèn)）；
  
• 4：關(guān)閉RF發(fā)送和接收功能；
  

如果使用“AT+CFUN=0”將模塊設(shè)置為最少功能模式，射頻部分和SIM卡部分的功能將會(huì)關(guān)閉。而串口依然 有效，但是與射頻部分以及SIM卡部分相關(guān)的AT命令則不可用。

如果使用“AT+CFUN=4”設(shè)置模塊，RF部分功能將會(huì)關(guān)閉，而串口依然有效。所有與RF部分相關(guān)的AT命令不 可用。

模塊通過(guò)“AT+CFUN=0”或者“AT+CFUN=4”設(shè)置以后，可以通過(guò)“AT+CFUN=1”命令設(shè)置返回到全功能狀態(tài)。

2.12.2. 睡眠模式（慢時(shí)鐘模式）

2.12.2.1 串口應(yīng)用

串口應(yīng)用下支持兩種睡眠模式：

• 睡眠模式1：通過(guò)MAIN_DTR管腳電平控制模塊是否進(jìn)入睡眠
  
• 睡眠模式2：模塊在串口空閑一段時(shí)間后自動(dòng)進(jìn)入睡眠
  

2.12.2.1.1 睡眠模式 1

開(kāi)啟條件：

發(fā)送AT指令A(yù)T+CSCLK=1

模塊進(jìn)入睡眠：

控制MAIN_DTR腳拉高，模塊會(huì)進(jìn)入睡眠模式1

模塊退出睡眠：

拉低MAIN_DTR腳50ms以上，模塊會(huì)退出睡眠模式可以接受AT指令

模塊在睡眠模式1時(shí)的軟件功能： 不響應(yīng)AT指令，但是收到數(shù)據(jù)/短信/來(lái)電會(huì)有URC上報(bào)

HOST 睡眠時(shí)，模塊收到數(shù)據(jù)/短信/來(lái)電如何喚醒HOST： MAIN_RI 信號(hào)

2.12.2.1.2 睡眠模式 2

開(kāi)啟條件：

發(fā)送AT指令A(yù)T+CSLCK=2

模塊進(jìn)入睡眠：

串口空閑超過(guò)AT+WAKETIM配置的時(shí)間（默認(rèn)5s），模塊自動(dòng)進(jìn)入睡眠模式2

模塊退出睡眠：

串口連續(xù)發(fā)送AT直到模塊回應(yīng)時(shí)即退出睡眠模式2

模塊在睡眠模式2時(shí)的軟件功能：

不響應(yīng)AT指令，但是收到數(shù)據(jù)/短信/來(lái)電會(huì)有URC上報(bào)

HOST 睡眠時(shí)，模塊收到數(shù)據(jù)/短信/來(lái)電如何喚醒HOST： MAIN_RI 信號(hào)

2.12.2.2 USB應(yīng)用

開(kāi)啟條件：

USBHOST必須支持USBsuspend/resume

模塊進(jìn)入睡眠：

HOST發(fā)起USBsuspend

模塊退出睡眠：

HOST發(fā)起USBresume

HOST睡眠時(shí)，模塊收到數(shù)據(jù)/短信/來(lái)電如何喚醒HOST： MAIN_RI信號(hào)

2.13.模式切換匯總

三、射頻接口
天線接口管腳定義如下：

RF_ANT管腳定義：

3.1. 射頻參考電路

注意：

• 連接到模塊RF天線焊盤(pán)的RF走線必須使用微帶線或者其他類型的RF走線，阻抗必須控制在50歐姆左右。
  
• 在靠近天線的地方預(yù)留Π型匹配電路，兩顆電容默認(rèn)不貼片，電阻默認(rèn)貼0歐姆，待天線廠調(diào)試好天線以 后再貼上實(shí)際調(diào)試的匹配電路；
  
• Luat模塊阻抗線及天線設(shè)計(jì)建議： https://doc.openluat.com/article/2430
  

3.2. RF 輸出功率

RF傳導(dǎo)功率：

3.3. RF傳導(dǎo)靈敏度

3.4.工作頻率

3.5. 推薦RF焊接方式

如果連接外置天線的射頻連接器是通過(guò)焊接方式與模塊相連的，請(qǐng)務(wù)必注意連接線的剝線方式及焊接方法， 尤其是地要焊接充分。

請(qǐng)按照下圖中正確的焊接方式進(jìn)行操作，以避免因焊接不良引起線損增大。

射頻焊接方式建議：

四、電器特性，可靠性，射頻特性

4.1.絕對(duì)最大值

下表所示是模塊數(shù)字、模擬管腳的電源供電電壓電流最大耐受值。

4.2.推薦工作條件

4.3.工作溫度

4.4.功耗

4.4.1.模塊工作電流

測(cè)試儀器：綜測(cè)儀R&SCMW500，程控電源安捷倫66319D

測(cè)試條件：VBAT=3.8V，環(huán)境溫度25℃，插入白卡，連接綜測(cè)儀CMW500

4.4.2.實(shí)網(wǎng)模擬長(zhǎng)連接功耗

模塊聯(lián)網(wǎng)功耗數(shù)據(jù) 模塊低功耗模式下聯(lián)網(wǎng)連接服務(wù)器定時(shí)心跳測(cè)試，模擬實(shí)際應(yīng)用下的定時(shí)上報(bào)場(chǎng)景下功耗，從而能夠估算出電 池的使用時(shí)間。

超低功耗方案參考：https://doc.openluat.com/wiki/50

各階段耗流(中等信號(hào)強(qiáng)度下實(shí)網(wǎng)測(cè)試測(cè)試)

注意： 由于是實(shí)網(wǎng)測(cè)試，網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度，注冊(cè)頻段，服務(wù)器響應(yīng)時(shí)間都會(huì)對(duì)測(cè)試的值有較大影響，因此，此數(shù)據(jù)僅供 參考。

4.5.靜電防護(hù)

在模塊應(yīng)用中，由于人體靜電，微電子間帶電摩擦等產(chǎn)生的靜電，通過(guò)各種途徑放電給模塊，可能會(huì)對(duì)模 塊造成一定的損壞，所以ESD保護(hù)必須要重視。

不管是在生產(chǎn)組裝、測(cè)試，研發(fā)等過(guò)程，尤其在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中， 都應(yīng)采取防ESD保護(hù)措施。

如電路設(shè)計(jì)在接口處或易受ESD點(diǎn)增加ESD保護(hù)，生產(chǎn)中帶防ESD手套等。

下表為模塊重點(diǎn)PIN腳的ESD耐受電壓情況。

ESD性能參數(shù)（溫度：25℃,濕度：45%）：

五、模塊尺寸圖

該章節(jié)描述模塊的機(jī)械尺寸以及客戶使用該模塊設(shè)計(jì)的推薦封裝尺寸。

5.1. 推薦PCB封裝

注意：

1. PCB 板上模塊和其他元器件之間的間距建議至少3mm；

2. 請(qǐng)?jiān)L問(wèn)：https://www.openluat.com/ 來(lái)獲取模塊的原理圖PCB 封裝庫(kù)。

六、存儲(chǔ)和生產(chǎn)

6.1. 存儲(chǔ)

Air780EP以真空密封袋的形式出貨。

模塊的存儲(chǔ)需遵循如下條件：

環(huán)境溫度低于40攝氏度，空氣濕度小于90%情況下，模塊可在真空密封袋中存放12個(gè)月。

當(dāng)真空密封袋打開(kāi)后，若滿足以下條件，模塊可直接進(jìn)行回流焊或其它高溫流程：

• 模塊環(huán)境溫度低于30攝氏度，空氣濕度小于60%，工廠在72小時(shí)以內(nèi)完成貼片。
  
• 空氣濕度小于10%

若模塊處于如下條件，需要在貼片前進(jìn)行烘烤：

• 當(dāng)環(huán)境溫度為23攝氏度（允許上下5攝氏度的波動(dòng)）時(shí)，濕度指示卡顯示濕度大于10%
  
• 當(dāng)真空密封袋打開(kāi)后，模塊環(huán)境溫度低于30攝氏度，空氣濕度小于60%，但工廠未能在72小時(shí)以內(nèi)完成貼 片
  
• 當(dāng)真空密封袋打開(kāi)后，模塊存儲(chǔ)空氣濕度大于10%
  

如果模塊需要烘烤，請(qǐng)?jiān)?25攝氏度下（允許上下5攝氏度的波動(dòng)）烘烤48小時(shí)。

注意：

模塊的包裝無(wú)法承受如此高溫，在模塊烘烤之前，請(qǐng)移除模塊包裝。

如果只需要短時(shí)間的烘烤，請(qǐng) 參考IPC/JEDECJ-STD-033 規(guī)范。

6.2. 生產(chǎn)焊接

用印刷刮板在網(wǎng)板上印刷錫膏，使錫膏通過(guò)網(wǎng)板開(kāi)口漏印到PCB上，印刷刮板力度需調(diào)整合適，

為保證模 塊印膏質(zhì)量，Air780EP模塊焊盤(pán)部分對(duì)應(yīng)的鋼網(wǎng)厚度應(yīng)為0.2mm。

為避免模塊反復(fù)受熱損傷，建議客戶PCB板第一面完成回流焊后再貼模塊。推薦的爐溫曲線圖如下圖所示：

七、術(shù)語(yǔ)縮寫(xiě)

?

到這里，關(guān)于合宙低功耗4G模組Air780EP的硬件設(shè)計(jì)部分就介紹結(jié)束了。

在下文我們將介紹Air780EP的開(kāi)發(fā)板使用說(shuō)明。

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