4G模组SIM卡接口电路设计：从入门到精通

今天我跟大家探讨的是4G模组SIM卡接口电路是怎么设计的？

我们以低功耗4G模组经典型号Air780E为例，它支持两路SIM卡，支持双卡切换，便于设备灵活选择，切换网络。接下来，我们详细介绍SIM卡接口功能及其电路设计相关注意事项，看完绝对会长技术！

一、SIM卡接口功能描述

Air780E模组支持2路USIM接口，支持双卡单待功能，均符合ETSI和IMT-2000规范。

USIM1接口：

自适应支持1.8V和3.3V USIM卡；

USIM2接口：
支持USIM卡的电平与模组GPIO电平配置相同。模组GPIO电平配置为1.8V时，USIM2只支持1.8V的USIM卡；模组GPIO电平配置为3.3V时，USIM2只支持3.3V的USIM卡。

1.SIM卡相关管脚

Air780E模组SIM卡信号相关管脚，详见下方图表：

2.SIM卡电气特性

1）支持SIM卡类型：

USIM1接口：1.8V/3.3V USIM卡；

USIM2接口：
与模组GPIO电平配置有关。模组GPIO电平配置为1.8V时，只支持1.8V的USIM卡；模组GPIO电平配置为3.3V时，只支持3.3V的USIM卡。

2）支持协议：ETSI / IMT-2000

3）双卡特性：双卡单待

4）SIM卡在位检测：USIM1支持；USIM2不支持。

3. SIM卡时序

激活时序：

当SIM卡的触点接通序列结束后（RST处于低电平，VCC稳定供电，ME的I/O处于接收状态，VPP被置为空闲状态，CLK提供适当的、稳定的时钟），SIM卡准备复位。

如下图所示：

时钟信号在T0时刻加到CLK触点，I/O总线在时钟信号加到CLK触点200个时钟周期（T0时刻之后的t2时间段）之内应该处于高阻状态；

内部复位的SIM卡，在几个时钟周期之后开始复位，复位应答应该在400～40000个时钟周期内开始（T0时刻之后的t1时间段之内）；

低电平复位的SIM卡的复位信号至少在40000个时钟周期内RST触点维持低电平（T0之后的t3时间段内），如果在40000个时钟周期内没有复位应答，则RST触点被置为高电平；

I/O端的复位应答必须在RST上升沿开始的400～40000个时钟周期内开始（T1时刻之后的t1时间段之内）；

如果复位应答在400～40000个时钟周期内没有开始（T1时刻之后的t3时间段之内），则RST触点的电平将被置为低电平（在T2时刻），触点也将被ME释放。

4. SIM卡切换功能描述

Air780E支持双卡单待，同一时间只能使用其中一个SIM通道。可以通过相应的AT指令或者LuatOS相应的API，进行SIM卡通道切换。

相关特性如下：

1）模组开机会默认检测SIM1通道，在SIM1通道检测到SIM卡不在位的情况下，才会去检测SIM2通道。

2）USIM_DET信号为SIM卡插拔检测管脚，上下边沿电平触发中断，触发系统进行SIM1通道的卡在位检测。而SIM2通道不支持SIM卡插拔检测。

3）对于内置贴片SIM卡的双卡应用场景，建议将贴片SIM卡置于SIM2通道，外置插拔SIM卡座置于SIM1通道，以实现优先使用外置插拔SIM卡的效果。

4）由于Air780E是双卡单待模式，因此同时只能有一张SIM卡在工作，系统在切换SIM卡时，会重新注册网络。

二、SIM卡接口电路设计指导

常用的SIM卡参考设计如下：

USIM1通道：

USIM2通道：

设计注意事项：

1）SIM卡座与模组距离摆件不能太远，越近越好，尽量保证SIM卡信号线布线不超过20cm。

2）SIM卡信号线布线远离RF线和VBAT电源线。

3）为了防止可能存在的USIM_CLK信号对USIM_DATA信号的串扰，两者布线不要太靠近，在两条走线之间增加地屏蔽。且对USIM_RST_N信号也需要地保护。

4）为了保证良好的ESD保护，建议加TVS管，并靠近SIM卡座摆放。选择的ESD器件寄生电容不大于50pF。在模组和SIM卡之间也可以串联22欧姆的电阻用以抑制杂散EMI，增强ESD防护。SIM卡的外围电路必须尽量靠近SIM卡座。

5）在需要模组进入休眠的场景，SIM_DET禁止用VDD_EXT上拉，否则会造成无法休眠的问题；建议用VREF_VOLT上拉。

6）USIM2通道由于是与普通GPIO口复用，因此无法自适应1.8V/3.3V USIM卡，USIM2的电平只能与VDD_EXT保持一致，也就是与模组GPIO电平保持一致。

7）USIM2_DAT和USIM2_RST在模组内部被4.7K上拉到USIM_VDD；USIM2_CLK通过100K上拉到RefVolt。因此如果要使用这三个管脚复用GPIO，要注意上拉电阻对外设的影响。

8）USIM1_VDD和USIM2_VDD共用同一个电源，内部是同一个网络，因此USIM1_VDD和USIM2_VDD总是同时上下电，即使USIM2通道不使用。

9）USIM_DET只支持USIM1通道，通过中断触发系统查询SIM卡是否在位，因此，USIM_DET只要是电平变化就能触发中断，无论是高电平或是低电平。

三、SIM卡常见问题

在出现SIM卡不识别卡时，测量SIM卡供电VDD_SIM，总是发现VDD_SIM为低电平？

原因解析：

SIM卡在初始化时，系统会尝试4次与SIM卡交互。此时VDD_SIM也会打开4次，分别在1.8V和3.3V交替检测，若检测不到SIM卡，VDD_SIM卡就会关闭，如下图：

因此在检测不到SIM卡的情况下，USIM_VDD总是低电平。

设计建议：

VDD_SIM不输出不是SIM卡不识别的原因，而是结果；SIM卡上任何一个信号异常，均会导致VDD_SIM自动关闭。

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