干货分享篇：Air780EP的硬件设计原理全解析（上）

一、绪论

Air780EP是一款基于移芯EC718P平台设计的LTE Cat 1无线通信模组。支持FDD-LTE/TDD-LTE的4G远距离无线传输技术。另外，模组提供了USB/UART/I2C等通用接口满足IoT行业的各种应用诉求。

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LGA封装，109个SMT焊盘管脚，以下章节将详细阐述Air780EP各接口的功能

图表 2：Air780EP 管脚排列图（正视图）

3.1 管脚描述

表格 3：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

注意：

当模块进入休眠模式或深度休眠模式后，VDD_EXT 电源会掉电，相应电压域的 GPIO 以及串口

（MAIN_UART 除外）均会处于掉电关闭状态，掉电IO 口均无法响应中断，无法唤醒模块退出休眠模式

模块进入休眠状态后只能通过以下管脚中断唤醒退出休眠模式。

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: PWRKEY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：

1. 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：