乾貨分享:Air700ECQ的硬體設計,第一部分

电子老师傅發表於2024-10-25

一、緒論

Air700ECQ是一款基於移芯EC716E平臺設計的LTE Cat 1無線通訊模組。支援移動雙模FDD-LTE/TDD-LTE的4G遠距離無線傳輸技術。以極小封裝,極高價效比,滿足IoT行業的數傳應用需求。例如共享應用場景,定位器場景,DTU數傳場景等。

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圖表 1:功能框圖

二、綜述

表格 1:模組型號列表

型號

Air700ECQ

LTE-TDD

B34/B38/B39/B40/B41

LTE-FDD

B3/B8

IO 電平

1.8V

模組尺寸

13.45mm*10.5mm*1.7mm(+-0.15mm)

封裝

LGA

備註

4G LTE 移動版

2.1 主要效能

表格 2:模組主要效能

特徵

說明

CPU

  • Cortex M3 @ 204MHz*2
  • 16KB ICache

Flash

  • Nor Flash 4MB

RAM

  • PSRAM 1MB

支援頻段

  • LTE-TDD:B34/B38/B39/B40/B41
  • LTE-FDD: B3/B8

發射功率

  • LTE-FDD:Class3(23dBm+-2dB)
  • LTE-TDD:Class3(23dBm+1/-3dB)

供電

  • VBAT 3.3V ~ 4.3V,典型值3.8V

LTE 特性

  • 最大支援non-CA CAT1
  • 支援1.4~20MHz射頻頻寬
  • LTE-FDD:最大上行速率 5Mbps,最大下行速率 10Mbps
  • LTE-TDD:上下行配置1

最大上行速率 4Mbps,最大下行速率 6Mbps

  • LTE-TDD:上下行配置2

最大上行速率 2Mbps,最大下行速率 8Mbps

網路協議特性

  • 已支援TCP/UDP/PPP/HTTP/NITZ/NDIS/NTP/HTTPS/MQTT

USIM 卡介面

  • 支援USIM/SIM卡:1.8V和3V

USB 介面

串列埠

  • 支援USB 2.0 High speed(只支援從模式),資料傳輸速率最大到 480Mbps
  • 用於AT指令、資料傳輸、軟體除錯、軟體升級
  • USB 虛擬串列埠驅動:支援Windows 7/8.1/10,Linux 2.6.x/3.x/4.1, Android 4.x/5.x/6.x/7.x 等作業系統下的USB 驅動

MAIN_UART:

  • 通用串列埠,可用於AT命令和資料傳輸
  • 最大波特率921600bps,預設波特率自適應9600-115200bps
  • 支援硬體流控(RTS/CTS)

AUX_UART:

  • 通用串列埠

DBG_UART:

  • 用於輸出除錯資訊

I2C

  • 2路I2C介面

SPI

  • 1路SPI介面

天線介面

  • 一個LTE天線介面

溫度範圍

  • 正常工作溫度:-35°C~+70°C
  • 極限工作溫度:-40°C~+85°C

RoHS

  • 所有器件完全符合RoHS標準

物理特性

  • 13.45mm*10.5mm*1.7mm(+-0.15mm)
  • 重量:約2.3g

封裝

  • 50個管腳,實際可用管腳詳見管腳圖

三、應用介面

模組採用LGA封裝,50個SMT焊盤管腳,以下章節將詳細闡述Air700ECQ各介面的功能

3.1 管腳描述

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圖表 2:Air700ECQ 管腳排列圖(正檢視)

表格 3:管腳描述

電源

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串列埠

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USB 介面

管腳名

管腳號

IO

描述

電氣特性

備註

VBUS

6

DI

USB 插入喚醒

建議不超過 5.5V

內部電阻分壓

USB_DP

7

IO

USB 資料差分訊號

90 歐姆差分主控控制

USB_DM

8

IO

USB 資料差分訊號

90 歐姆差分主控控制

USIM 介面

管腳名

管腳號

IO

描述

電氣特性

備註

SIM_RST

10

DO

USIM 卡介面復位訊號

1.8V/3.3V

SIM_CLK

11

DO

USIM 卡介面時鐘訊號

1.8V/3.3V

SIM_DAT

12

IO

USIM 卡接資料訊號

1.8V/3.3V

SIM_VDD

13

PO

USIM 卡接電源訊號

1.8V/3.3V

SIM_DET

48

DI

USIM 卡插入檢測

1.8V

模數轉換 ADC 介面

管腳名

管腳號

IO

描述

電氣特性

備註

ADC0

34

AI

模數轉換ADC 通道 0

量程 0~3.3V

若超量程需要外部電阻分壓

ADC1

35

AI

模數轉換ADC 通道 1

量程 0~3.3V

若超量程需要外部電阻分壓

I2C 介面

管腳名

管腳號

IO

描述

電氣特性

備註

I2C0_SDA

33

OD

I2C 介面資料訊號

DC 電平:VDD_EXT

不用則懸空

I2C0_SCL

49

OD

I2C 介面時鐘訊號

DC 電平:VDD_EXT

不用則懸空

I2C1_SDA

38

OD

I2C 介面資料訊號

DC 電平:VDD_EXT

不用則懸空

I2C1_SCL

37

OD

I2C 介面時鐘訊號

DC 電平:VDD_EXT

不用則懸空

天線介面

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LED 指示燈介面

管腳名

管腳號

IO

描述

電氣特性

備註

NET_STATUS

27

0

網路狀態指示燈

DC 電平:LDO_AON

不用則懸空

通用 GPIO

管腳名

管腳號

IO

描述

電氣特性

備註

GPIO1

30

IO

通用GPIO

DC 電平:VDD_EXT

不用則懸空

GPIO2

39

IO

通用GPIO

DC 電平:VDD_EXT

不用則懸空

GPIO3

40

IO

通用GPIO

DC 電平:VDD_EXT

不用則懸空

AGPIO5

41

IO

通用GPIO

DC 電平:LDO_AON

不用則懸空

其他 IO

管腳名

管腳號

IO

描述

電氣特性

備註

AGPIOWU1

29

DI

外部輸入中斷

DC 電平:LDO_AON

Opencpu 二次開發用

WUKUP0

26

DI

外部輸入中斷

DC 電平:LDO_AON

Opencpu 二次開發用

*:

  1. 二次開發 GPIO 複用功能詳見對應《_GPIO_table
  2. LDOAON 為晶片內部部分 GPIO 供電電源,由此電源供電的 IO 口休眠狀態下能夠保持。
  3. 所有 GPIO wakeuppad 都支援雙邊沿中斷;

可以複用為 wakeup io,休眠以及喚醒狀態下都能使用;其餘 io 喚醒狀態下可用,休眠狀態下不能使用;

wakeup io 可以喚醒休眠,其餘 GPIO 都不可以。

表格 4:IO 引數定義

型別

描述

IO

Input/Output

DI

Digital Input

DO

Digital Output

PI

Power Input

PO

Power Output

AI

Analog Input

AO

Analog Output

OD

Open Drain Output

3.2 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。

表格 5:工作模式

模式

描述

正常工作

ACTIVE

連線正常工作。有資料或者語音或者簡訊互動。此模式下,模組功耗取決於環境訊號的強弱,動態DTX控制以及射頻工作頻率。

IDLE

SLEEP1

SLEEP2

HIBERNATE

OFF

MCU 核心時鐘關閉,系統中斷隨時可以喚醒模組。模組註冊上網路,沒有資料,語音和簡訊互動。進入和退出IDLE模式均由系統自動管理

休眠模式下。外設均會被關閉,大部分IO處於掉電狀態,僅有AGPIO能夠保持電平,功耗極大降低。透過AT+CSCLK=1或者AT+CSCLK=2進入此模式

在休眠模式基礎上,關閉SRAM, 僅保持64KB SRAM(ASMB)區域儲存必要資訊。功耗進一步降低, 在此模式下DeepSleep Timer仍然然可以執行。透過 WAKUP管腳可以喚醒,但是軟體需要重新初始化。AT版本不支援此休眠模式 在休眠模式基礎上,進一步關閉64KB SRAM(ASMB)區域, 功耗最低。在此模式下DeepSleep Timer仍然然可以執行。透過WAKUP管腳可以喚醒,但是軟體需要重新初始化。AT版本不支援此休眠模式

此模式下PMU停止給基帶和射頻供電,軟體停止工作,串列埠不通,但VBAT管腳

依然通電

休眠模式

深度休眠模式

超深度休眠模式

關機模式

注意:

  1. 當模組進入休眠模式或深度休眠模式後,部分GPIO 會處於掉電關閉狀態,掉電 IO 口均無法響應中斷,無法喚醒模組退出休眠模式。休眠掉電GPIO 口請參考
  2. 模組進入休眠狀態後只能透過以下管腳中斷喚醒退出休眠模式。

管腳名

序號

功能

描述

PWRKEY

1

開機關機

通拉低開機管腳觸發中斷

MAIN_TXD/RXD

14,15

主串列埠

透過給串列埠發資料喚醒模組

MAIN_DTR

50

模組喚醒管腳

拉低觸發中斷喚醒

VBUS

6

USB 插入喚醒

USB插入,或拉高觸發

3.3 電源供電

管腳名

管腳號

描述

VBAT

18,19

模組基帶電源,供電範圍3.3V~4.3V

3.3.1 模組電源工作特性

在模組應用設計中,電源設計是很重要的一部分。由於LTE射頻工作時最大峰值電流高達1.5A,在最大發射功率時會有約700mA的持續工作電流,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組直接掉電重啟。

3.3.2 減小電壓跌落

模組電源VBAT電壓輸入範圍為3.3V~4.3V,但是模組在射頻發射時通常會在VBAT電源上產生電源電壓跌落現象,這是由於電源或者走線路徑上的阻抗導致,一般難以避免。因此在設計上要特別注意模組的電源設計,在VBAT輸入端,建議並聯一個低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。並且建議VBAT的PCB走線儘量短且足夠寬,減小VBAT走線的等效阻抗,確保在最大發射功率時大電流下不會產生太大的電壓跌落。建議VBAT走線寬度不少於1mm,並且走線越長,線寬越寬。

3.3.3 供電參考電路

電源設計對模組的供電至關重要,必須選擇能夠提供至少1A電流能力的電源。若輸入電壓跟模組的供電電壓的壓差小於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於2V,則推薦使用開關電源轉換器以提高電源轉換效率。

LDO供電:

下圖是5V供電的參考設計,採用了Micrel公司的LDO,型號為MIC29302WU。它的輸出電壓是4.16V,負載電流峰值到3A。為確保輸出電源的穩定,建議在輸出端預留一個穩壓管,並且靠近模組VBAT管腳擺放。建議選擇反向擊穿電壓為5.1V,耗散功率為1W以上的穩壓管。

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圖表4:供電輸入參考設計 圖表 6:DCDC 供電輸入參考設計

DC-DC 供電:

下圖是 DC-DC 開關電源的參考設計,採用的是傑華特公司的 JW5359M 開關電源晶片,它的最大輸出電流是 2A,輸入電壓範圍 3.7V~18V。注意 C25 的選型要根據輸入電壓來選擇合適的耐壓值。

3.3.4 開關機

開機

管腳名

型別

序號

描述

PWRKEY

DI

1

模組開機/關機控制腳

在VBAT供電後,可以透過如下兩種方式來觸發Air700ECQ開機:

  1. 按鍵開機: PWRKEY管腳透過輕觸按鍵連線到地,按鍵按下1秒以上實現開機。
  2. 上電開機:將PWRKEY管腳直接短接到地,VBAT上電後就可以實現開機。

PWRKEY 管腳開機

VBAT上電後,可以透過PWRKEY管腳啟動模組,把PWRKEY管腳拉低1秒以上之後模組會進入開機流程,軟體會檢測VBAT管腳電壓,若VBAT管腳電壓大於軟體設定的開機電壓(3.3V),會繼續開機動作直至系統開機完成;否則,會停止執行開機動作,系統會關機,開機成功後PWRKEY管腳可以釋放。可以透過檢測VDD_EXT管腳的電平來判別模組是否開機。推薦使用開集驅動電路來控制PWRKEY管腳。下圖為參考電路:

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圖表 5:開集驅動參考開機電路

另一種控制PWRKEY管腳的方法是直接使用一個按鈕開關。按鈕附近需放置一個TVS管用以ESD保護。下圖為參考電路:

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圖表 6:按鍵開機參考電路

3.4 上電開機

將模組的PWRKEY 直接接地可以實現上電自動開機功能。需要注意,在上電開機模式下,將無法關機,只要 VBAT 管腳的電壓大於開機電壓即使軟體呼叫關機介面,模組仍然會再開機起來。另外,在此模式下,要想成功開機起來 VBAT 管腳電壓仍然要大於軟體設定的開機電壓值(3.3V),如果不滿足,模組會關閉,就會出現反覆開關機的情況。

對於用電池供電的應用場景不建議用 PWRKEY 接地的上電自動開機方式。

3.4.2 關機

以下的方式可以關閉模組:

  • 正常關機:使用PWRKEY管腳關機
  • 正常關機:透過AT指令AT+CPOWD關機
  • 低壓自動關機:模組檢測到低電壓時關機,可以透過AT指令AT+CBC 來設定低電壓的門限值;

PWRKEY 管腳關機

PWRKEY 管腳拉低 1.5s 以上時間,模組會執行關機動作。

關機過程中,模組需要登出網路,登出時間與當前網路狀態有關,經測定用時約2s~12s,因此建議延長

12s後再進行斷電或重啟,以確保在完全斷電之前讓軟體儲存好重要資料。時序圖如下:

低電壓自動關機

模組在執行狀態時當 VBAT 管腳電壓低於軟體設定的關機電壓時(預設設定 3.3V),軟體會執行關機動作關閉模組,以防低電壓狀態下執行出現各種異常。

復位

管腳名

型別

序號

電壓域

描述

RESET_N

DI

16

-

模組復位輸入,低有效;無需外部上拉

RESET_N 引腳可用於使模組復位。 拉低RESET_N 引腳 100ms 以上可使模組復位。 RESET_N 訊號對干擾比較敏感, 因此建議在模組介皮膚上的走線應儘量的短,且需包地處理。

參考電路:

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注意:

1. 復位功能建議僅在AT+CPOWD 和PWRKEY 關機失敗後使用。

3.5. 串列埠

模組提供了三個通用非同步收發器:主串列埠 MAIN_UART、AUX_UART、DBG_UART。

3.5.1. MAIN_UART

表格 6:MAIN_UART 管腳定義

3.5. 串列埠

模組提供了三個通用非同步收發器:主串列埠 MAIN_UART、AUX_UART、DBG_UART。

3.5.1. MAIN_UART

表格 6:MAIN_UART 管腳定義

管腳名

型別

序號

電壓域

描述

MAIN _TXD

DO

14

VDD_EXT

MAIN_UART 傳送資料

MAIN _RXD

DI

15

VDD_EXT

MAIN_UART 接收資料

管腳

主串列埠 MAIN_UART 用來進行 AT 指令通訊。MAIN_UART 支援固定波特率, 不支援自適應波特率

MAIN_UART 在休眠狀態下保持的功能,能夠喚醒模組

MAIN_UART 的特點如下:

8個資料位,無奇偶校驗,一個停止位。

用以AT命令傳送,數傳等。

支援波特率如下:600,1200,2400,4800,14400,9600,19200,38400,57600,115200,230400,460800,921600bps

注意:

MAIN_UART 在開機過程中短時會輸出固定除錯資訊

3.5.2. AUX_UART

表格 7:AUX_UART 管腳定義

管腳名

型別

序號

電壓域

描述

AUX_TXD

DO

31

VDD_EXT

AUX_UART 傳送資料

AUX_RXD

DI

32

VDD_EXT

AUX_UART 接收資料

AUX_UART為輔助串列埠,不支援AT指令互動,用於某些外設通訊,如對接GNSS定位模組等。

AUX_UART休眠後會關閉,無法透過給AUX_UART傳送資料進行喚醒。

3.5.3. DBG_UART

管腳名

型別

序號

電壓域

描述

DBG_TXD

DO

3

VDD_EXT

除錯串列埠,輸出 AP log,

DBG_RXD

DI

2

VDD_EXT

除錯串列埠,接收除錯指令

DBG_UART 用來軟體除錯時輸出 AP trace,建議預留測試點。

DBG_UART 在開機過程中短時會輸出固定除錯資訊。

DBG_TX、DBG_RX 預設功能為系統底層日誌口,進行模組硬體設計時,在剩餘功能引腳充足的前提

下,避免使用 DBG_TX 和 DBG_RX。

如果將此引腳複用為其他功能,則無法從 DBG_TX 和 DBG_RX 抓取系統日誌。

在某些場景下,如果模組出現異常,無法抓到問題日誌,只能透過硬體改版,引出 DBG_TX、

DBG_RX,抓取日誌再進行分析。

包括但不限於以下兩種場景:

1、低功耗場景:

在低功耗場景下,USB 無法使用,只能透過 DBG_TX、DBG_RX 來抓取日誌。

2、非低功耗場景:

模組接入 USB 時,工作正常,未接入 USB 時,工作異常的情況,只能透過 DBG_TX、DBG_RX 來抓取

日誌。

3.5.4. 串列埠連線方式

串列埠的連線方式較為靈活,如下是三種常用的連線方式。

三線制的串列埠請參考如下的連線方式:

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圖表 7:串列埠三線制連線方式示意圖

3.5.5. 串列埠電壓轉換

Air700ECQ 模組的串列埠電平為 1.8V,能夠滿足大部分外設,主控的串列埠直接需求,但是如果要和 3.3V

或者以上的 MCU 或其他串列埠外設通訊,那就必須要加電平轉換電路:

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注意

如果低功耗需求上拉不能用vdd-ext,要用agpio或者外部ldo做上拉

此電平轉換電路不適用波特率高於460800 bps的應用。

D2 必須選用低導通壓降的肖特基二極體。

肖特基二極體以及 NPN 三極體的推薦型號如下:

物料名稱

型號

廠商

描述

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肖特基二極體

RB521S-30

江蘇長電

Schottky Diode;30V;200mA;SOD523;1.6*0.8*0.6mm

PSB521S-30

上海智晶

Schottky Diode;30V;200mA;SOD523;1.6*0.8*0.6mm

LRB521S- 30T1G

LRC

Schottky Diode;30V;200mA;SOD523;1.6*0.8*0.6mm

PSBD521S-30

Prisemi

Schottky Diode;30V;200mA;SOD523;1.6*0.8*0.6mm

NPN 三極體

MMBT3904

江蘇長電

Transistor;NPN;40V;200mA;SOT23;1.1mm;ROHS

MMBT3904

上海智晶

Transistor;NPN;40V;200mA;SOT23;1.1mm;ROHS

LMBT3904LT1G

LRC

Transistor;NPN;40V;200mA;SOT23;1.1mm;ROHS

對於波特率高於 460800bps 的應用,可以透過外加電平轉換晶片來實現電壓轉換,參考電路如下:

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此電路採用的是電平轉換晶片是 TI 的 TXS0108E, 8 位雙向電壓電平轉換器,適用於漏極開路和推輓

應用,最大支援速率:

推輓:110Mbps

開漏:1.2Mbps

3.6. USB 介面

Air700ECQ 的 USB 符合 USB2.0 規範,支援高速(480Mbps)、全速(12Mbps)模式和低速(1.2Mbps)

模式。USB 介面可用於 AT 命令傳送,資料傳輸,軟體除錯和軟體升級。

表格 8:USB 管腳定義

管腳名

型別

序號

描述

USB_DP

IO

7

USB 差分訊號正,走線需控制 90 歐姆差分阻抗

USB_DM

IO

8

USB 差分訊號負,走線需控制 90 歐姆差分阻抗

VBUS

DI

6

USB 插入喚醒,模組內部電阻分壓。(非必須)

USB介面參考設計電路如下:

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圖表 8:USB 介面參考設計

注意事項如下:

1. USB 走線需要嚴格按照差分線控制,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. 需要儘可能的減少 USB 走線的 stubs,減少訊號反射;USB 訊號的測試點最好直接放在走線上以

減少 stub;

4. 儘可能的減少 USB 走線的過孔數量;

5. 在靠近 USB 聯結器或者測試點的地方新增 TVS 保護管,由於 USB 的速率較高,需要注意 TVS 管

的選型,保證選用的 TVS 保護管的寄生電容小於 1pF

6. VBUS 作為 USB 插入喚醒作用,並不直接參與 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

3.7. USB 下載模式

管腳名

型別

序號

電壓域

描述

BOOT

DI

25

在開機之前上拉到 VDD_EXT,模組會強行進入 USB 下載模式,BOOT 須留測試點,方便後續升級軟體

Air700ECQ 模組進入 USB 下載模式:

1. 在開機之前,把 BOOT 上拉到 VDD_EXT

2. 給模組上電,POWKEY 拉低,開機

3. 成功進入下載模式後,PC 端會虛擬出單個串列埠。

管腳名

型別

序號

電壓域

描述

I2C0_SCL

IO

49

VDD_EXT

I2C 時鐘訊號,用作 I2C 時需外加 1.8V 上拉

I2C0_SDA

IO

33

VDD_EXT

I2C 資料訊號,用作 I2C 時需外加 1.8V 上拉

I2C1_SCL

IO

37

VDD_EXT

I2C 時鐘訊號,用作 I2C 時需外加 1.8V 上拉

I2C1_SDA

IO

38

VDD_EXT

I2C 資料訊號,用作 I2C 時需外加 1.8V 上拉

3.8 I2C

Air700ECQ 可支援兩路 I2C 介面:

 相容 Philips I2C 標準協議

 支援 Fast mode (400Kbps)和 Slow mode(100Kbps)

 只支援 master 模式,不支援 slaver 模式

 可透過軟體來配置內部的上拉電阻,1.8K 或者 20K

 理論上最多可支援 127 個從裝置

I2C 的參考電路如下:

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Air700ECQ 的 I2C 介面電壓固定 1.8V,能夠滿足大部分外設的直接需求,但是如果要和 3.3V 或者以上 電平的外設通訊,那就必須要加電平轉換電路:

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電平轉換用的 NMOS 管必須選用結電容小於 50pF 的型號,推薦型號如下:

物料名稱

型號

廠商

描述

NMOS

BSS138

江蘇長電

N 溝道,50V,0.22A,SOT-23,ROHS

BSS138

UMW(友臺半導體)

N 溝道,50V,0.3A,SOT-23,ROHS

3.9. SIM 卡介面

Air700ECQ 支援 1 路 SIM 卡介面,支援 ETSI 和 IMT-2000 卡規範,支援 1.8V 和 3.0V USIM 卡。SIM 介面

下表介紹了 SIM 介面的管腳定義。

表格 9:SIM 卡介面管腳定義

介面

管腳名

序號

描述

SIM

SIM_VDD

13

SIM 卡供電電源,最大供電電流 10mA。 模組可以自動識別 1.8V 或者 3V(U)SIM 卡。

SIM_RST

10

SIM 卡復位訊號

SIM_DAT

12

SIM 卡資料訊號

SIM_CLK

11

SIM 卡時鐘訊號

3.9.1. SIM 介面參考電路

下圖是 SIM 介面的參考電路,使用 6pin 的 SIM 卡座。

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圖表 9:使用 6pin SIM 卡座參考電路圖(SIM)

在SIM卡介面的電路設計中,為了確保SIM卡的良好的功能效能和不被損壞,在電路設計中建議遵循以下設計

原則:

1. SIM卡座與模組距離擺件不能太遠,越近越好,儘量保證SIM卡訊號線佈線不超過20cm。

2. SIM卡訊號線佈線遠離RF線和VBAT電源線。

3. 為了防止可能存在的USIM_CLK訊號對USIM_DATA訊號的串擾,兩者佈線不要太靠近,在兩條走線之間增

加地遮蔽。且對USIM_RST_N訊號也需要地保護。

4. 為了保證良好的ESD保護,建議加TVS管,並靠近SIM卡座擺放。選擇的ESD器件寄生電容不大於50pF。在

模組和SIM卡之間也可以串聯22歐姆的電阻用以抑制雜散EMI,增強ESD防護。SIM卡的外圍電路必須儘量靠近SIM卡座。

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