Air780EP硬件设计原理解析（第二部分）
接下来，我们继续学习第二部分。
3.3 电源供电
3.3.1 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。
3.3.2 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。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。
3.3.3 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。
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。
3.4 开关机
3.4.1 开机
*
在VBAT供电后，可以通过如下两种方式来触发Air780EP开机：
- 按键开机: PWKEY管脚通过轻触按键连接到地，按键按下1秒以上实现开机。
- 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。
**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。下图为参考电路：
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。下图为参考电路：
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。
3.4.2 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
**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：
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。
3.4.3 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：
- 复位功能建议仅在AT+CPOWD 和PWRKEY 关机失败后使用。
3.5 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。
3.5.1 MAIN_UART
表格 6：MAIN_UART 管脚定义
对于AT 开发方式，3.5.1. 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
3.5.2 AUX_UART
表格 7：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。
3.5.3 DBG_UART
DBG_UART 用来软件调试时输出AP trace，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。
3.5.4 UART3
不支持LCD 功能，可以再复用一组 UART3
3.5.5 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。
3.5.6 串口电压转换
Air780EP 模块的串口电平为 1.8V 或 3.3V，通过 PIN100 IO_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460800 bps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
3.6 USB接口****
Air780EP 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。
表格 8：USB 管脚定义
USB接口参考设计电路如下：
图表 9：USB 接口参考设计
- USB 走线需要严格按照差分线控制，做到平行和等长；
- USB 走线的阻抗需要控制到差分 90 欧姆；
- 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；
- 尽可能的减少USB 走线的过孔数量；
- 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
- 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**。**
3.7 USB下载模式****
Air780EP 模块进入USB 下载模式：
- 在开机之前，把USB_BOOT 上拉到VDD_EXT
3.8 I2C
Air780EP 可支持两路I2C 接口：
- 兼容Philips I2C 标准协议
- 支持Fast mode （400Kbps）和 Slow mode（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：
Air780EP 的I2C 接口电压是 1.8V/3.3V 可配置，通过PIN100 IO_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：
3.9 SIM卡接口****
Air780EP 支持 2 路 SIM 卡接口，支持 ETSI 和 IMT-2000 卡规范，支持 1.8V 和 3.0V USIM 卡。以满足双 SIM卡切换的需求。
3.9.1 SIM 接口
下表介绍了 SIM 接口的管脚定义。
表格 9：SIM 卡接口管脚定义
3.9.2 双 SIM 卡切换说明
Air780EP 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 指令进行SIM 卡通道切换：或者选择自动切换功能，系统会根据外部网络信号强度进行自动切换（自动切换功能通常用于同时使用不同运营商SIM 卡的场景）。具体指令请参考《4G 模块AT 命令手册》
注意：
- 模块开机会默认检测 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。
- 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。
- 对于内置贴片SIM 卡的双卡应用场景，如网络摄像头（IPC）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。
3.9.3 SIM 接口参考电路
下图是 SIM 接口的参考电路，使用 6pin 的 SIM 卡座。
如果需要用到 sim 卡在位检测，推荐电路如下。
在SIM卡接口的电路设计中，为了确保SIM卡的良好的功能性能和不被损坏，在电路设计中建议遵循以下设计原则：
- SIM卡座与模块距离摆件不能太远，越近越好，尽量保证SIM卡信号线布线不超过20cm。
- SIM卡信号线布线远离RF线和VBAT电源线。
- 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。
- 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。在模块和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。
- 在需要模块进入休眠的场景SIM_DET禁止用VDD_EXT上拉，否则会造成无法休眠的问题。建议用AGPIO3上拉，或者用SIM_DET IO内部上拉的方式
3.10 ****LDO输出
注意：
- VDD_EXT 作为大部分IO 的内部供电，在模块进入休眠后会掉电关闭，以降低功耗。
VDD_EXT 在模块休眠期间，会随着模块底层频繁唤醒做网络交互以维持网络注册状态。客观上造成 VDD_EXT 在模块休眠期间输出周期不等的高脉冲，如果用 VDD_EXT 做某些 IO 如唤醒IO 管脚，或者 MAIN_UART 的上拉，就会造成频繁触发 IO 中断导致模块无法进入休眠。
- 在需要休眠的场景可以用AGPIO3 进行上拉。
3.11 功能管脚
******3.11.1 **MAIN_RI
表格 10：MAIN_RI 信号动作
如果模块用作主叫方，MAIN_RI 会保持高电平，收到 URC 信息或者短信时除外。而模块用作被叫方时，MAIN_RI 的时序如下所示：
3.11.2 MAIN_DTR
模块支持两种睡眠模式：
睡眠模式 1：发送 AT+CSCLK=1，通过 MAIN_DTR 管脚电平控制模块是否进入睡眠睡眠模式 2：发送 AT+CSCLK=2，模块在串口空闲一段时间后自动进入睡眠
3.11.3 状态指示灯
Air780EP 用一个管脚来指示开机状态，用两个管脚信号来指示网络的状态。如下两表分别描述了管脚定义和不同网络状态下的逻辑电平变化：
表格 11：网络指示管脚定义
指示灯参考电路如下图所示：
3.12 省电功能
根据系统需求，有两种方式可以使模块进入到低功耗的状态。对于AT版本使用“AT+CFUN”命令可以使模块进入最少功能状态。
3.12.1 最少功能模式 / 飞行模式
最少功能模式可以将模块功能减少到最小程度，此模式可以通过发送“AT+CFUN=”命令来设置。参数可以选择 0，1，4。
- 0：最少功能（关闭RF和SIM卡）；
- 1：全功能（默认）；
- 4：关闭RF发送和接收功能；
如果使用“AT+CFUN=0”将模块设置为最少功能模式，射频部分和 SIM 卡部分的功能将会关闭。而串口依然有效，但是与射频部分以及 SIM 卡部分相关的 AT 命令则不可用。
如果使用“AT+CFUN=4”设置模块，RF部分功能将会关闭，而串口依然有效。所有与RF部分相关的AT命令不可用。
模块通过“AT+CFUN=0”或者“AT+CFUN=4”设置以后，可以通过“AT+CFUN=1”命令设置返回到全功能状态。
3.12.2 睡眠模式（慢时钟模式）
串口应用
串口应用下支持两种睡眠模式：
- 睡眠模式 1：通过 MAIN_DTR 管脚电平控制模块是否进入睡眠
- 睡眠模式 2：模块在串口空闲一段时间后自动进入睡眠
睡眠模式 1
开启条件：
发送 AT 指令 AT+CSCLK=1
模块进入睡眠：
控制 MAIN_DTR 脚拉高，模块会进入睡眠模式 1
模块退出睡眠：
拉低 MAIN_DTR 脚 50ms 以上，模块会退出睡眠模式可以接受 AT 指令模块在睡眠模式 **1 **时的软件功能：
不响应 AT 指令，但是收到数据/短信/来电会有 URC 上报 HOST 睡眠时，模块收到数据 / 短信 / 来电如何唤醒 HOST ： MAIN_RI 信号
睡眠模式 2
开启条件：
发送 AT 指令 AT+CSLCK=2
模块进入睡眠：
串口空闲超过 AT+WAKETIM 配置的时间（默认 5s），模块自动进入睡眠模式 2
模块退出睡眠：
串口连续发送 AT 直到模块回应时即退出睡眠模式 2
模块在睡眠模式 2 时的软件功能：
不响应 AT 指令，但是收到数据/短信/来电会有 URC 上报 HOST 睡眠时，模块收到数据 / 短信 / 来电如何唤醒 HOST ： MAIN_RI 信
USB****应用
开启条件：
USB HOST 必须支持 USB suspend/resume
模块进入睡眠：
HOST 发起 USB suspend
模块退出睡眠：
HOST 发起 USB resume
HOST 睡眠时，模块收到数据 / 短信 / 来电如何唤醒 HOST ：
MAIN_RI 信号
3.13 模式切换汇总
表格 13：模式切换汇总
接下来我们学习第三部分。
审核编辑 黄宇
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