合宙低功耗4G模組Air780E——硬件設(shè)計手冊01

Air780E是一款基于移芯EC618平臺設(shè)計的LTECat1無線通信模組。支持FDD-LTE/TDD-LTE的4G遠(yuǎn)距離無線傳 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。

本文將主要介紹Air780E的應(yīng)用接口部分。

一、主要性能

Air780E模塊功能框圖：

模塊型號列表：

模塊主要性能：

*注: 模組工作在-40°C～-35°C或+75°C～+85°C溫度范圍時，模組可以正常工作，但部分射頻指標(biāo)不保證 能滿足3GPP標(biāo)準(zhǔn)。

二、應(yīng)用接口

模塊采用LGA封裝，109個SMT焊盤管腳，以下章節(jié)將詳細(xì)闡述Air780E各接口的功能。

2.1. 管腳描述

*注意:

1.AT指令集暫不支持GPIO及特除功能進(jìn)行操作,具體標(biāo)注為上表中帶“*”的管腳。

2.PIN5內(nèi)置模擬音頻功能僅最新Air780E版本支持，請咨詢合宙官方客服或銷售人員。

3.二次開發(fā)GPIO復(fù)用功能詳見《Air780E&Air780EG&Air700E_GPIO_table》

4.LDOAON為芯片內(nèi)部部分GPIO供電電源，由此電源供電的IO口休眠狀態(tài)下能夠保持。

5.所有io都支持中斷； 可以復(fù)用為wakeup的io支持雙邊沿或者高低電平中斷，休眠以及喚醒狀態(tài)下都能使用；

其余io僅支持單邊沿或者單電平中斷，喚醒狀態(tài)下可用，休眠狀態(tài)下不能使用。

IO參數(shù)定義：

2.2 工作模式

下表簡要的敘述了接下來幾章提到的各種工作模式。

注意：

• 當(dāng)模塊進(jìn)入休眠模式或深度休眠模式后，VDD_EXT電源會掉電，相應(yīng)電壓域的GPIO以及串口 （MAIN_UART除外）均會處于掉電關(guān)閉狀態(tài)，掉電IO口均無法響應(yīng)中斷，無法喚醒模塊退出休眠模 式。
  
• 模塊進(jìn)入休眠狀態(tài)后只能通過以下管腳中斷喚醒退出休眠模式。
  

2.3.電源供電

2.3.1.模塊電源工作特性

在模塊應(yīng)用設(shè)計中，電源設(shè)計是很重要的一部分。

由于LTE射頻工作時最大峰值電流高達(dá)1.5A，在最大發(fā) 射功率時會有約700mA的持續(xù)工作電流，電源必須能夠提供足夠的電流，不然有可能會引起供電電壓的跌落甚 至模塊直接掉電重啟。

2.3.2.減小電壓跌落

模塊電源VBAT電壓輸入范圍為3.3V~4.3V，但是模塊在射頻發(fā)射時通常會在VBAT電源上產(chǎn)生電源電壓跌落 現(xiàn)象，這是由于電源或者走線路徑上的阻抗導(dǎo)致，一般難以避免。

因此在設(shè)計上要特別注意模塊的電源設(shè)計， 在VBAT輸入端，建議并聯(lián)一個低ESR(ESR=0.7Ω)的100uF的鉭電容，以及100nF、33pF、10pF濾波電容，VBAT輸 入端參考電路如圖4所示。

VBAT輸入?yún)⒖茧娐?

并且建議VBAT的PCB走線盡量短且足夠?qū)?，減小VBAT走線的等效阻抗，確保在最大 發(fā)射功率時大電流下不會產(chǎn)生太大的電壓跌落。建議VBAT走線寬度不少于1mm，并且走線越長，線寬越寬。

2.3.3. 供電參考電路

電源設(shè)計對模塊的供電至關(guān)重要，必須選擇能夠提供至少1A電流能力的電源。

若輸入電壓跟模塊的供電 電壓的壓差小于2V，建議選擇LDO作為供電電源。

若輸入輸出之間存在的壓差大于2V，則推薦使用開關(guān)電源轉(zhuǎn) 換器以提高電源轉(zhuǎn)換效率。

LDO供電：

下圖是5V供電的參考設(shè)計，采用了Micrel公司的LDO，型號為MIC29302WU。

它的輸出電壓是4.16V，負(fù)載 電流峰值到3A。

為確保輸出電源的穩(wěn)定，建議在輸出端預(yù)留一個穩(wěn)壓管，并且靠近模塊VBAT管腳擺放。

建議 選擇反向擊穿電壓為5.1V，耗散功率為1W以上的穩(wěn)壓管。

供電輸入?yún)⒖荚O(shè)計:

DC-DC 供電：

下圖是DC-DC開關(guān)電源的參考設(shè)計，采用的是杰華特公司的JW5033S開關(guān)電源芯片，它的最大輸出電流 是2A，輸入電壓范圍3.7V~18V。

注意C25的選型要根據(jù)輸入電壓來選擇合適的耐壓值。

DCDC供電輸入?yún)⒖荚O(shè)計:

2.4. 開關(guān)機(jī)

2.4.1. 開機(jī)

在VBAT供電后，可以通過如下兩種方式來觸發(fā)Air780E開機(jī)：

1. 按鍵開機(jī): PWRKEY管腳通過輕觸按鍵連接到地，按鍵按下1秒以上實現(xiàn)開機(jī)。

2. 上電開機(jī)：將PWRKEY管腳直接短接到地，VBAT上電后就可以實現(xiàn)開機(jī)。

2.4.1.1 PWRKEY 管腳開機(jī)

VBAT上電后，可以通過PWRKEY管腳啟動模塊，把PWRKEY管腳拉低1秒以上之后模塊會進(jìn)入開機(jī)流程，軟 件會檢測VBAT管腳電壓，

若VBAT管腳電壓大于軟件設(shè)置的開機(jī)電壓（3.3V），會繼續(xù)開機(jī)動作直至系統(tǒng)開機(jī)完成；

否則，會停止執(zhí)行開機(jī)動作，系統(tǒng)會關(guān)機(jī)，開機(jī)成功后PWRKEY管腳可以釋放。

可以通過檢測VDD_EXT 管腳的電平來判別模塊是否開機(jī)。

推薦使用開集驅(qū)動電路來控制PWRKEY管腳。

下圖為開集驅(qū)動參考開機(jī)電路：

另一種控制PWRKEY管腳的方法是直接使用一個按鈕開關(guān)。

按鈕附近需放置一個TVS管用以ESD保護(hù)。

下圖 按鍵開機(jī)參考電路：

2.4.1.2 上電開機(jī)

將模塊的PWRKEY直接接地可以實現(xiàn)上電自動開機(jī)功能。

需要注意，在上電開機(jī)模式下，將無法關(guān)機(jī)， 只要VBAT管腳的電壓大于開機(jī)電壓即使軟件調(diào)用關(guān)機(jī)接口，模塊仍然會再開機(jī)起來。

另外，在此模式下，要想成功開機(jī)起來VBAT管腳電壓仍然要大于軟件設(shè)定的開機(jī)電壓值（3.3V），如果不滿足，模塊會關(guān)閉，就會 出現(xiàn)反復(fù)開關(guān)機(jī)的情況。

對于用電池供電的應(yīng)用場景不建議用PWRKEY接地的上電自動開機(jī)方式。

2.4.2. 關(guān)機(jī)

以下的方式可以關(guān)閉模塊：

正常關(guān)機(jī)：使用PWRKEY管腳關(guān)機(jī)

正常關(guān)機(jī)：通過AT指令A(yù)T+CPOWD關(guān)機(jī)

低壓自動關(guān)機(jī)：模塊檢測到低電壓時關(guān)機(jī)，可以通過AT指令A(yù)T+CBC來設(shè)置低電壓的門限值；

2.4.2.1 PWRKEY 管腳關(guān)機(jī)

PWRKEY 管腳拉低1.5s以上時間，模塊會執(zhí)行關(guān)機(jī)動作。

關(guān)機(jī)過程中，模塊需要注銷網(wǎng)絡(luò)，注銷時間與當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)有關(guān)，經(jīng)測定用時約2s~12s，因此建議延長 12s后再進(jìn)行斷電或重啟，以確保在完全斷電之前讓軟件保存好重要數(shù)據(jù)。

時序圖如下：

2.4.2.2 低電壓自動關(guān)機(jī)

模塊在運行狀態(tài)時當(dāng)VBAT管腳電壓低于軟件設(shè)定的關(guān)機(jī)電壓時（默認(rèn)設(shè)置3.3V），軟件會執(zhí)行關(guān)機(jī)動作 關(guān)閉模塊，以防低電壓狀態(tài)下運行出現(xiàn)各種異常。

2.4.3 復(fù)位

RESET_N 引腳可用于使模塊復(fù)位。拉低RESET_N引腳100ms以上可使模塊復(fù)位。RESET_N信號對干 擾比較敏感，因此建議在模塊接口板上的走線應(yīng)盡量的短，且需包地處理。

參考電路：

注意：

1. 復(fù)位功能建議僅在AT+CPOWD和PWRKEY關(guān)機(jī)失敗后使用。

2. RESET_N 復(fù)位管腳拉低釋放后，模塊會處于硬件關(guān)機(jī)狀態(tài)，如果想要重啟功能，需要在RESET_N 復(fù)位后重新拉低POWERKEY關(guān)機(jī)進(jìn)行開機(jī)動作。

2.5. 串口

模塊提供了三個通用異步收發(fā)器：主串口MAIN_UART、AUX_UART、DBG_UART。

2.5.1. MAIN_UART

MAIN_UART 管腳定義

對于AT開發(fā)方式，MAIN_UART用來進(jìn)行AT指令通訊。

MAIN_UART支持固定波特率,不支持自適 應(yīng)波特率 在默認(rèn)情況下，模塊的硬件流控是關(guān)閉的。

當(dāng)客戶需要硬件流控時，管腳RTS,CTS必須連接到客戶端，AT 命令“AT+IFC=2,2”可以用來打開硬件流控。

AT命令“AT+IFC=0,0”可以用來關(guān)閉流控。具體請參考《AirM2M無線 模塊AT命令手冊》。

MAIN_UART在休眠狀態(tài)下保持的功能，能夠喚醒模塊 MAIN_UART的特點如下：

• 包括數(shù)據(jù)線TXD和RXD，硬件流控控制線RTS和CTS。
  
• 8個數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗，一個停止位。
  
• 硬件流控默認(rèn)關(guān)閉。
  
• 用以AT命令傳送，數(shù)傳等。
  
• 支持波特率如下：600,1200,2400,4800,14400,9600,19200,38400,57600,115200,230400,460800,921600bps
  

注意： MAIN_UART在開機(jī)過程中短時會輸出固定調(diào)試信息

2.5.2. AUX_UART

AUX_UART管腳定義:

AUX_UART為輔助串口，不支持AT指令交互，用于某些外設(shè)通信，如對接GNSS等。

AUX_UART休眠后會關(guān)閉，無法通過給AUX_UART發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行喚醒。

2.5.3. DBG_UART

DBG_UART 用來軟件調(diào)試時輸出APtrace，建議預(yù)留測試點。

DBG_UART 在開機(jī)過程中短時會輸出固定調(diào)試信息。

DBG_TX、DBG_RX 默認(rèn)功能為系統(tǒng)底層日志口，進(jìn)行模塊硬件設(shè)計時，在剩余功能引腳充足的前提 下，避免使用DBG_TX和DBG_RX。

如果將此引腳復(fù)用為其他功能，則無法從DBG_TX和DBG_RX抓取系統(tǒng)日志。

在某些場景下，如果模塊出現(xiàn)異常，無法抓到問題日志，只能通過硬件改版，引出DBG_TX、 DBG_RX，抓取日志再進(jìn)行分析。

包括但不限于以下兩種場景：

1、低功耗場景： 在低功耗場景下，USB無法使用，只能通過DBG_TX、DBG_RX來抓取日志。

2、非低功耗場景： 模塊接入USB時，工作正常，未接入USB時，工作異常的情況，只能通過DBG_TX、DBG_RX來抓取 日志。

2.5.4. 串口連接方式

串口的連接方式較為靈活，如下是三種常用的連接方式。

三線制的串口請參考如下的連接方式：

帶流控的串口連接請參考如下電路連接，此連接方式可提高大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)目煽啃?，防止?shù)據(jù)丟失。

2.5.5. 串口電壓轉(zhuǎn)換

Air780E 模塊的串口電平為1.8V或3.3V，通過PIN100IO_SEL配置IO口電平，能夠滿足大部分外設(shè)， 主控的串口直接需求，

但是如果要和5V或者以上的MCU或其他串口外設(shè)通信，那就必須要加電平轉(zhuǎn)換 電路。

電平轉(zhuǎn)換參考電路如下：

注意：

• 此電平轉(zhuǎn)換電路不適用波特率高于460800bps的應(yīng)用。
  
• 由于休眠狀態(tài)下VDD_EXT會掉電，因此如果在需要休眠的應(yīng)用場景用VDD_EXT做串口電平轉(zhuǎn)換上拉的話， 會導(dǎo)致模塊無法休眠的情況。因此在需要進(jìn)入休眠的場景下，建議用AGPIO3進(jìn)行上拉。
  
• D2必須選用低導(dǎo)通壓降的肖特基二極管。
  

肖特基二極管以及NPN三極管的推薦型號如下：

對于波特率高于460800bps的應(yīng)用，可以通過外加電平轉(zhuǎn)換芯片來實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換，參考電路如下：

此電路采用的是電平轉(zhuǎn)換芯片是TI的TXS0108E，8位雙向電壓電平轉(zhuǎn)換器，適用于漏極開路和推挽應(yīng)用，

最大支持速率：

推挽：110Mbps

開漏：1.2Mbps

2.6. USB 接口

Air780E 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。

USB管腳定義：

USB接口參考設(shè)計電路如下：

注意事項如下：

1. USB走線需要嚴(yán)格按照差分線控制，做到平行和等長；

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，減少信號反射；USB信號的測試點最好直接放在走線上以 減少stub；

4.盡可能的減少USB走線的過孔數(shù)量；

5.在靠近USB連接器或者測試點的地方添加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，非必須，在不需要USB插入喚醒的 場景也可以不接

2.7. USB下載模式

Air780E模塊進(jìn)入USB下載模式： 在開機(jī)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
  
• 可通過軟件來配置內(nèi)部的上拉電阻，1.8K或者20K ?理論上最多可支持127個從設(shè)備
  

I2C的參考電路如下：

Air780E 的 I2C 接口電壓是1.8V/3.3V 可配置，通過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)入休眠的場景或者允許休眠掉電的場景也可以用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，推薦型號如下：

2.9. 模擬音頻

Air780E 模塊內(nèi)置的模擬語音輸出功能，是合宙自主研發(fā)基于移芯EC618平臺通過軟件算法模擬，將 數(shù)字語音轉(zhuǎn)換成模擬語音輸出，從而實現(xiàn)聲音的輸出。彌補了EC618平臺無內(nèi)置音頻解碼器的不足。

主要應(yīng)用于音頻類的應(yīng)用場景開發(fā)，如收款喇叭，TTS，安防的語言播報相關(guān)應(yīng)用場景。

詳細(xì)設(shè)計指導(dǎo)請參考《Air780E內(nèi)置模擬語音功能使用說明》

參考電路如下：

注意：

1. 由于PIN5為單端輸出，容易受干擾，因此PIN5走線盡量短，且遠(yuǎn)離干擾信號線，如電源，天線等。且走 線包地保護(hù)

2.音頻功放PIN3接地點要靠近780EPIN5。且與PIN5走線做差分走線

3.音頻功放輸出PIN8和PIN5要差分走線，盡量短，且遠(yuǎn)離4G天線。

4. PIN106默認(rèn)為音頻功放控制管腳,要搭配使用，不建議用外部主控控制音頻功放。

5.內(nèi)置模擬音頻功能僅最新Air780E版本支持，請咨詢合宙官方客服或銷售人員。

未完待續(xù)。。。

由于文章篇幅原因，本文暫且先介紹到這里，下文將繼續(xù)介紹SIM卡接口，LDO輸出，功能管腳，射頻接口，電氣特性和結(jié)構(gòu)規(guī)格等內(nèi)容。