第一篇：低功耗模组Air724UG硬件设计手册
一、绪论
Air724UG是一款基于紫光展锐UIS8910DM平台设计的LTE Cat 1无线通信模组。支持FDD-LTE/TDD-LTE的4G远距离通讯和Bluetooth近距离无线传输技术，支持 WiFi Scan 和 WiFi 定位，支持VoLTE、Audio、Camera、LCD、Keypad等功能。另外，模组提供了USB/UART/SPI/I2C/SDIO等通用接口满足IoT行业的各种应用诉求。
Air724UG 支持Luat二次开发。下图为Air724UG模块功能框图：
二、综述
2.1 型号信息
表格 1：模块型号列表
2.2 主要性能
表格 2：模块主要性能
三、应用接口
模块采用LCC封装，117个SMT焊盘管脚，以下章节将详细阐述Air724UG各接口的功能
3.1 管脚描述
3.2 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。
表格 5：工作模式
|
模式 |
功能 |
|
|
正常工作 |
SLEEP |
在模块没有任何任务处理则会自动进入睡眠模式。睡眠模式下，模块的功耗会降到非常低，但模块仍然能够收发数据、短消息和来电。 |
|
IDLE |
软件正常运行。模块注册上网络，没有数据，语音和短信交互。 |
|
|
TALK/Data |
连接正常工作。有数据或者语音或者短信交互。此模式下，模块功耗取决于环境信号的强弱，动态DTX 控制以及射频工作频率。 |
|
|
关机模式 |
此模式下PMU停止给基带和射频供电，软件停止工作，串口不通，但VBAT管脚依然通电 |
|
|
最少功能模式(保持供电电压） |
AT+CFUN=0 可以将模块设置为最少功能模式 此模式下，射频和SIM卡都不工作，但是串口仍然可以访问 |
|
|
飞行模式 |
AT+CFUN=4 可以将模块设置为飞行模式，此模式下模块射频不工作 |
|
具体的功耗数据请查询 5.4 功耗 章节。
3.3 电源供电
|
管脚名 |
类型 |
序号 |
描述 |
|
VBAT |
PI |
59，60 |
模块主电源，供电范围3.3V~4.3V |
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。
图表 3：VBAT 输入参考电路
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。
图表 4：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。
图表 6：DCDC 供电输入参考设计
由于DC-DC 芯片对布局和走线有要求，为了简化设计，也可以采用合宙推出的JW5033S 电源模块：
Air5033S 来给 4G 模块供电，只需要外加两颗滤波电容即可，参考电路如下：
图表 6：Air5033S 供电输入参考设计
3.4 开关机
3.4.1 开机
|
管脚名 |
类型 |
序号 |
描述 |
|
PWRKEY |
DI |
68 |
模块开机/关机控制脚， 内部上拉到VBAT |
|
VBUS |
DI |
14 |
USB插入检测，Vmax=5.25V Vmin=3.3V Vnorm=5.0V Luat固件可触发充电开机 |
在VBAT供电后，可以通过如下三种方式来触发Air724UG开机
- 把 PWRKEY 拉低1.2秒以上
- 给 VBUS 管脚供电，来触发充电开机（AT固件不支持）
- RTC 定时开机（AT固件不支持）
3.4.1.1 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1.2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（3.1V），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 V_GLOBAL_1V8 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：
图表 5：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 为参考电路：
图表 6：按键开机参考电路
按键开机时序图：
3.4.1.2 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（3.1V），如果不满足，模块会关闭，就会出现反复开关机的情况。
对于用锂电池或其他可充电电池供电的应用场景，推荐优先采用按键开机的方式。
如果要上电开机，除了要把 PWRKEY 拉低以外，还必须把 VBUS 管脚接到充电器上来触发充电开机，或者在 VBUS 和 VBAT 之间加一个肖特基二极管来触发充电开机，否则在锂电池过放导致模块低电压关机后，在给锂电池重新充电时因为电压还不稳，而模块只会检测到一次 PWRKEY 拉低的中断，会导致概率性无法开机。
增加这颗肖特基二极管后会增加约 0.6mA 的待机电流。
参考电路如下：
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
- 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；
3.4.2.1 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。
3.4.2.2 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 3.1V），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
|
管脚名 |
类型 |
序号 |
电压域 |
描述 |
|
RESET_IN_N |
DI |
1 |
VBAT |
模块复位输入，低有效；内部上拉到VBAT |
RESET_IN_N 引脚可用于使模块复位。拉低 RESET_IN_N 引脚 100ms 以上可使模块复位。RESET_IN_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：
备注：
1 . 复位功能建议仅在AT+CPOWD 和PWRKEY 关机失败后使用。
今天先分享到这里，后面继续分享。
