LZ5x1 模组硬件设计

本文给 LZ5x1 系列模组 产品使用者提供了设计开发依据，开发者可以对本产品有整体认识，对产品的技术参数有明确了解，并可在本文基础上顺利完成相关功能类产品或设备的应用开发。

本文旨在给您提供一个较为全面的设计参考。文中不仅提供了产品功能特点和技术参数，还提供了产品可靠性测试和相关测试标准、业务功能实现流程、射频性能指标以及电路设计指导。

背景信息

相关文档

• LZ501-CN 模组规格书

• LZ5x1 系列参考原理图设计

• LZ5x1 系列 Open CPU GPIO 配置表.xlsx

缩略语介绍

缩略语	全称	解释
ESD	Electro-Static Discharge	静电放电
USB	Universal Serial Bus	通用串行总线
UART	Universal Asynchronous Receiver Transmitter	通用异步收发器
SIM	Subscriber Identification Module	用户识别模组
SPI	Serial Peripheral Interface	串行外设接口
I2C	Inter-Integrated Circuit	交互集成线路
I/O	Input/output	输入/输出
GPIO	General-purpose Input/output	通用输入输出接口
TDB	To Be Determined	待定
RTC	Real-Time Clock	实时时钟
ADC	Analog-to-Digital Converter	模拟-数字转换器

产品简介

LZ5x1 系列模组是由涂鸦智能开发的 LTE Cat.1 蜂窝网络模组。模组主要由一个高集成度的 LTE Cat.1 芯片 UIS8910DM 及其外围电路构成，内置了 LTE Cat.1 网络通信协议栈和丰富的库函数。

LZ5x1 系列模组内嵌 Cortex A5 应用处理器和 Cat.1bis 调制解调器，集成 64Mb Nor Flash，128Mb PSRAM，支持 USB、UART、I2C、I2S 和 ADC 等接口，支持外接显示屏、摄像头、键盘矩阵、麦克风、喇叭、耳机、充电和 USIM 卡等设备。

型号说明

频段	LZ501-CN
LTE FDD	Band 1、3、5、8
LTE TDD	Band 34、38、39、40、41
GSM	不支持
GNSS	不支持
BLE4.2	支持
WIFI SCAN	支持

产品特性

特性	描述
处理器	Cortex A5 应用处理器，主频 500MHz
供电电压范围	工作电压：3.4~4.3V 典型工作电压：3.8V
SIM 卡	2 个，支持 1.8V/3V
LTE-FDD Cat.1 数据速率	最大 10 Mbps（下行）/ 最大 5 Mbps（上行）
LTE-TDD Cat.1 数据速率	最大 8.2 Mbps（下行）/ 最大 3.4 Mbps（上行）
蓝牙	BLE 4.2，蓝牙配网功能暂不稳定，建议优先使用二维码方式，详情请参考 打印配网码标签。
Wi-Fi	仅支持 SCAN，可用于室内定位
天线	LTE 天线， BLE/Wi-Fi 天线
接口	1 个 USB2.0 接口，3 个 UART 接口，1 个 I2C 接口，1 个 PCM/I2S 接口，2 个 ADC 接口
显示屏	SPI 显示屏，分辨率 QVGA 320x240，30FPS
摄像头	SPI/MIPI 摄像头，30 万像素
键盘	4X5 键盘矩阵
音频	1 路麦克风，1 路喇叭，1 路耳机
锂电池供电	支持
工作温度	正常工作温度：-30℃ ～ +75℃ 1 扩展工作温度：-40℃ ～ +85℃ 2
软件升级	USB、OTA 升级

模组外观

接口说明

LZ5x1 模组共有 101 个引脚，其中 50 个为 LCC 引脚，另外 51 个为 LGA 引脚。

模组 I/O 序号与模组丝印 I/O 名称对应关系：

标识符号说明

管脚属性标识符号	描述
PI	电源输入
PO	电源输出
I	输入
O	输出
I/O	输入/输出
AI	模拟量输入

管脚定义

管脚号	管脚名	信号类型	描述
1~2	GND	-	地
3	ANT_MAIN	I/O	主集天线
4~5	GND	-	地
6	NC	-	-
7~8	GND	-	地
9~10	VBAT	PI	VBAT 模块电源输入（3.4-4.3V）
11	USB_DM	I/O	USB 信号 DM
12	USB_DP	I/O	USB 信号 DP
13	VDD_EXT	PO	模块数字电平， 1.8V 输出
14	PWRKEY	I	模块开机/关机，低电平有效
15	USIM2_DATA	I/O	USIM2 数据信号线，OpenCPU 模式可用作 GPIO30
16	USIM2_CLK	O	USIM2 时钟信号线， OpenCPU 模式可用作 GPIO29
17	USIM2_RST	O	USIM2 复位信号线， OpenCPU 模式可用作 GPIO31
18	UART1_RXD	I	串口 1 接收数据，支持 MCU 对接，串口电平 1.8V
19	UART1_TXD	O	串口 1 发送数据，支持 MCU 对接，串口电平 1.8V
20	UART1_RTS	I	串口 1 请求发送数据，OpenCPU 模式可用作 GPIO19
21	UART1_CTS	O	串口 1 清除发送，OpenCPU 模式可用作 GPIO18
22	GPIO26	I/O	GPIO26
23	USIM1_DATA	I/O	USIM1 数据信号线
24	USIM1_CLK	O	USIM1 时钟信号线
25	USIM1_RST	O	USIM1 复位信号线
26	USIM1_VDD	PO	USIM1 电源
27	USIM1_DET	I	USIM 卡热插拔检测，不用时需要外部上拉到 VDD_EXT
28	MIC_N	I	主 MIC 差分输出负
29	MIC_P	I	主 MIC 差分输出正
30	MIC_BIAS	PO	主 MIC 偏置电压输出，内部未连接，外部使用时必须接到 MIC 信号
31	USB_VBUS	PI	USB 插入输入检测
32	AMP_COMP	-	地
33	HP_R	O	耳机右声道信号输出
34	HP_L	O	耳机左声道信号输出
35	SPK_P	O	喇叭正极输出
36	SPK_N	O	喇叭负极输出
37	RESET	I	模块复位信号，低电平有效
38	NET_STATUS*	O	指示模组的网络运行状态，OpenCPU 模式可用作 GPIO9
39	UART2_RXD	I	模块串口 2 数据接收，串口电平 1.8V
40	UART2_TXD	O	模块串口 2 数据发送，串口电平 1.8V
41	WAKEUP_IN	I	外部设备唤醒模组，不用则悬空，OpenCPU 模式可用作 GPIO10
42-51	GND	-	地
52	I2C2_SDA	I/O	I2C 数据信号，OpenCPU 模式可用作 GPIO17
53	KEYOUT0	I/O	键盘输出 0
54	LCD_CLK	O	SPI LCD 时钟信号
55	GND	-	地
56	I2C2_SCL	I/O	I2C 时钟信号，OpenCPU 模式可用作 GPIO16
57	GND	-	地
58	LCD_SIO	O	SPI LCD 数据信号
59	ADC3	AI	模数转换接口 3
60	GND	-	地
61	WAKEUP_OUT*	O	模组唤醒外部设备，不用则悬空，OpenCPU 模式可用作 GPIO5
62	LCD_SDC	O	SPI LCD 数据命令选择
63	GND	-	地
64	ADC2	AI	模数转换接口 2
65	GND	-	地
66	GND	-	地
67	ISENSE	I	充电电流检测
68	GND	-	地
69	LCD_CS	O	SPI LCD 片选
70	GND	-	地
71	USBBOOT	I/O	键盘输入 0，开机之前上拉到 VDD_EXT，模组会强行进入 USB 下载模式
72	VBAT_SENSE	I	电池电压检测，尽量靠近电池正极，不用电池时直接接模组 VBAT，否则会造成模组不停重启
73	VDRV	O	充电电路控制信号
74	LCD_RSTB	O	SPI LCD 复位信号
75	KEYOUT1	I/O	键盘输出 1
76	KEYOUT2	I/O	键盘输出 2
77	UART3_RXD/KEYOUT4	I	串口 3 接收数据，复用 KEYOUT4，串口电平 1.8V
78	UART3_TXD/KEYOUT5	O	串口 3 发送数据，复用 KEYOUT5，串口电平 1.8V
79	CAM_PWDN	IO	Camera CAM_PWDN 信号
80	CAM_REFCLK	O	Camera CAM_REFCLK 信号
81	HEADMIC_BIAS	PO	耳机 MIC 的偏置电压，内部未连接，外部使用时必须接到 HEADMIC 信号
82	PCM_DOUT	O	PCM 语音数据输出，OpenCPU 模式可用作 GPIO3
83	PCM_CLK	I/O	PCM 语音时钟信号，OpenCPU 模式可用作 GPIO0
84	PCM_SYNC	I/O	PCM 语音同步信号，OpenCPU 模式可用作 GPIO1
85	PCM_DIN	I	PCM 语音数据输入，OpenCPU 模式可用作 GPIO2
86	GND	-	地
87	KEYOUT3	I/O	键盘输出 3
88	KEYIN3	I/O	键盘输入 3
89	CAM_SCK	I/O	Camera CAM_SCK 信号
90	CAM_SI1	I/O	Camera CAM_SI1 信号
91	CAM_SI0	I/O	Camera CAM_SI0 信号
92	CAM_RSTL	I/O	Camera CAM_RSTL 信号
93	DBG_TXD	I	调试串口，模组发送数据
94	DBG_RXD	O	调试串口，模组接收数据
95	USIM2_VDD	PO	USIM2 电源
96	ANT_BT/WIFI	I/O	蓝牙和 WIFI 天线
97	WHTLED_IB0	O	RGB LED 电流源输入 1， OPEN 版本可配置电流大小。 Imax=54mA
98	NET_MODE	PI	指示模组的网络注册状态 ，快闪表示找网，慢闪表示连接到云端
99	HEADMIC_P	I	耳机 MIC 输入正
100	HEADMIC_N	I	耳机 MIC 输入负
101	KEYIN4	I/O	键盘输入 4

电源

电源和地管脚

LZ5X1 可采用电池或外部电源供电。电源地和信号地，需要全部连接到系统板的地平面上。如果 GND 信号的连接不好，会对整体性能有影响。

管脚号	信号名称	描述	最小	典型	最大	单位
9、10	VBAT	模块电源输入	3.4	3.8	4.3	V
1-2、4-5、7-8、42-51、55、57、60、63、65-66、68、70、86	GND	电源参考地	-	-	-	-

供电要求

• LZ5X1 供电电源电压范围 3.4~4.3V，最大电流 2A。

  • 当系统电压与模块供电压差不大时，建议选择 LDO 进行电压转换。
  • 当系统电压与模块供电压差较大时，建议选择 DCDC 进行电压转换。

• 电压跌落：为确保模组正常工作，电源纹波小于 300mV，电压跌落不低于模组最低工作电压 3.4V。

  

• 稳压和滤波电容：

  • 稳压电容：100uFx2，10uF。
  • 数字信号滤波电容：1uF，0.1uF。
  • 高频信号滤波电容：33pF，10pF。

• ESD 保护：在靠近 VBAT 输入端增加一个 TVS 管以提高模组的浪涌电压承受能力和 ESD 承受能力。

• 走线要求：要求星形走线。原则上，VBAT 走线越长，线宽越宽。

• 当使用电池供电时，模组可以打开低电压关机（＜3.38V），此时需要注意底板其他负载的功耗，避免电池过放导致模组不开机。

参考电路如下图所示。

开机和复位

管脚描述

管脚号	信号名称	功能描述
14	PWRKEY	模组开机
37	RESET	模组复位

接口应用

• 开机：将 PWRKEY（PBINT 信号） 管脚拉低一段时间（大于 1.5s），再将该管脚悬空或拉高，即可开机。

  

• 如果您需要上电自动开机且不需要关机功能，则可以把 PWRKEY 直接下拉到地，下拉电阻建议 4.7 kΩ

• 复位：RESET 管脚拉低一段时间后（大于 35ms），再次将该管脚悬空或置高，即可复位。

  

• 推荐使用开集驱动，电路如下图所示：

  • 开机电路

    

  • 复位电路

    

UART

管脚描述

本模组提供 3 路 UART 接口：

• 串口 1：可用于 MCU 对接，使用涂鸦通用对接协议，其默认波特率为 115200bps。

• 串口 2：普通串口，用于外设扩展。

• 串口 3：普通串口，用于外设扩展。

  管脚号	信号名称	功能描述
  18	UART1_RXD	串口 1 接收数据
  19	UART1_TXD	串口 1 发送数据
  21	UART1_CTS	串口 1 清除发送
  20	UART1_RTS	串口 1 请求发送数据
  39	UART2_RXD	串口 2 接收数据
  40	UART2_TXD	串口 2 发送数据
  77	UART3_RXD	串口 3 接收数据
  78	UART3_TXD	串口 3 发送数据

接口应用

模组的串口电平为 1.8V。若您的 MCU 系统的电平为 3.3V 或 5V，则需在模组和应用系统的串口连接中增加电平转换器。如下图：

也可以使用三极管做电平转换：

USB

管脚描述

本模组具有 USB2.0 接口，可用于模组下载校准和 AT 模式应用。

管脚号	信号名称	功能描述
12	USB_DP	USB 差分数据 DP，支持模组下载校准
11	USB_DM	USB 差分数据 DM，支持模组下载校准
31	USB_VBUS	USIM 卡数据信号
71	USBBOOT	开机之前上拉到 VDD_EXT，模组会进入 USB 下载模式

接口应用

• MCU 对接

  

• Micro USB 连接器

  

电路设计要求

• 需要 USB 下载时，要将 USBBOOT 上拉到 VDD_EXT，进入 USB 下载模式。

• USB 走线周围需要包地处理，走 90 欧姆的阻抗差分线。

• USB 走线远离电源、射频及其他敏感信号，建议内层差分走线且上下左右立体包地。

• MCU 与模块间串联一个共模电感，防止 USB 信号产生 EMI 干扰。

• VBUS 为 USB 检测功能， 如果 MCU 的 USB 不支持 Suspend 时，通过断开 VBUS 来使模组进入睡眠。

  

• 外接 Micro USB 接口时，USB 的 TVS 管应尽量靠近 USB 接口放置，寄生容值 < 2pf。

SIM 卡

管脚描述

管脚号	信号名称	功能描述
27	USIM1_DET	USIM 卡热插拔检测，不使用时上拉到 VDD_EXT
26	USIM1_VDD	USIM 卡供电电源，模组自动识别 1.8V 或 3.0V
23	USIM1_DATA	USIM 卡数据信号
24	USIM1_CLK	USIM 卡时钟信号
25	USIM1_RST	USIM 卡复位信号
95	USIM2_VDD	USIM 卡供电电源，模组自动识别 1.8V 或 3.0V
15	USIM2_DATA	USIM 卡数据信号
16	USIM2_CLK	USIM 卡时钟信号
17	USIM2_RST	USIM 卡复位信号

SIM 卡接口应用

电路设计要求

• 卡座靠近模组摆放，信号线长度不超过 200mm。
• USIM_VDD 增加 2.2uF 去耦电容，靠近卡座摆放。
• USIM_DATA 走线较长时，增加 10-20K 上拉电阻，增加抗干扰能力。
• USIM_DATA，USIM_RST，USIM_CLK 需要加 33pF 电容用于滤除射频干扰。
• USIM 卡走线应远离射频和 VBAT 电路，SIM_CLK 和 SIM_DATA 走线不能太靠近，防止信号串扰。
• 如 SIM 经常需要手动插拔，信号线需要增加 TVS 管，寄生电容低于 15pF，走线要求先经过 ESD 器件再到模组。
• SIM 卡热插拔，参考设计中所选用 SIM 卡座的 USIM_DET 管脚无卡时短接到地，有卡时悬空，此时由外部 VDD_EXT 上拉到高电平。如不使用热插拔 SIM 卡座，USIM_DET 请直接上拉到 VDD_EXT。

模组状态指示

NET_MODE 接口

管脚号	信号名称	功能描述
98	NET_MODE	指示模组的网络注册状态，快闪表示找网，慢闪表示连接到云端

NET_MODE 接口应用

NET_MODE 为电流源，需接到 LED 负极。

I2C 总线

管脚描述

管脚号	信号名称	功能描述
41	I2C_SCL	I2C 时钟信号
42	I2C_SDA	I2C 数据信号

I2C 是一种 IC 之间通信的两线总线。两条信号线，串行数据（SDA）的和串行时钟（SCL），在连接的设备之间传送信息。每个设备靠唯一的地址来识别，既可作为发送器也可作为接收器。

接口应用

I2C 总线必须在设备端上拉到 VDD_EXT。

HP 耳机

管脚描述

管脚号	信号名称	功能描述
33	HP_R	耳机右声道信号输出
34	HP_L	耳机左声道信号输出

接口应用

模块耳机输出功率：25mW@±1.8V on 32Ohm load，增益范围：-18dB to +0dB with 3dB steps (4-bit programmable gain)

PCM

管脚描述

管脚号	信号名称	功能描述
85	PCM_DIN	PCM 语音数据输入
82	PCM_DOUT	PCM 语音数据输出
84	PCM_SYNC	PCM 语音同步信号
83	PCM_CLK	PCM 语音时钟信号

接口应用

模组 PCM 和 I2C 都是 1.8V 电平的，如果 Codec 芯片为 3.3V 电压，则需要进行电平转换。

充电

管脚号	信号名称	功能描述
67	ISENSE	充电电流检测
72	VBAT_SENSE	电池电压检测，尽量靠近电池正极
73	VDRV	充电电路使能
31	USB_VBUS	充电电压输入检测

接口应用

• 线性充电参考电路：

  

• 分立器件参考电路：

  

电路设计要求

• 系统热设计考虑，线性充电电流推荐 <0.7A， 如果 ≥0.7A， 强烈推荐使用开关充电。
• 为了精确测试充电电流，ISENSE/VBAT_SENSE 应该走伪差分（0.075mm/0.075mm/0.075mm），左右包地处理，避免与其它走线邻层平行。
• 电流采样电阻（0.068ohm±1%/0.125w， 0805）应该靠近 PNP 三极管摆放，充电电流线宽 ≥1mm， 推荐使用 Unisoc 的 4-Pin Land Pattern Design 设计。
• PNP 三极管的集电极 C 的铺铜面积 ≥30mm＾2，推荐相邻层 GND， 有利于散热。
• 强烈推荐在 PNP 附件 <1.5mm 以内摆放 NTC 温度传感器进行温控。

GPIO

模组在 Open CPU 固件下部分管脚可以复用为 GPIO。

请参考文件 LZ5x1 系列 Open CPU GPIO 配置表.xlsx。

天线

天线管脚描述

管脚号	信号名称	功能描述
96	ANT_BT/WIFI	Bluetooth Low Energy/Wi-Fi 天线
3	ANT_MAIN	LTE 天线

射频天线匹配电路

天线电路预留 π 型匹配电路，靠近天线放置，供天线厂家进行匹配调试，根据实际调试结果选取适当的阻容感值。

默认 L1 为 0 欧姆，C1、C2 不贴片。

LTE 天线，蓝牙/Wi-Fi 天线、GNSS 无源天线：

射频信号线走线

MCU PCB 的射频信号要求阻抗 50 欧姆，阻抗的控制通常采用微带线。
微带线 PCB 结构：

电路设计要点：

• 模组的天线引脚到天线连接器之间的走线距离尽量短，避免直角走线，建议走线角度为 135 度或采用弧度走线。
• 射频信号线参考的地平面要保持完整。同层的地与射频信号线之间要保持 2 倍线宽，射频信号线周边的地要多打地孔。
• 模组天线引脚相邻的地引脚要充分接地。
• 连接器信号脚的焊盘要与地平面保持一定距离。
• 可以通过阻抗模拟计算工具对射频信号线进行精确的 50 欧姆阻抗控制。

阻抗计算时，按照下图填写各个参数，通过改变射频线宽度，使阻抗接近 50 欧姆。

天线设计要求

• 天线位置要避开电源、数据线和芯片等会产生射频干扰的器件。
• 为确保 RF 性能的最优化，天线部分和主板或其他金属件的距离至少保持 15mm 以上。
• 天线外围不要包裹金属件，以免影响天线辐射性能。建议天线区域的转接板镂空处理。

天线类型

该模组无自带 PCB 板载天线，需要第三方提供天线。可使用外置胶棒天线、弹簧天线、IPEX-FPC 天线、PCB 板天线等，天线形式有单极天线、PIFA 天线、IFA 天线、loop 天线等。

常见的天线形式如下图所示

• 胶棒天线

  

• IPEX-FPC 天线

  

• 内置 FPC 天线

  

• 蓝牙可用 PCB 板载天线

  

可靠性设计

EMC 和 ESD 设计建议

在整机设计时应充分考虑到由于信号完整性、电源完整性引发的 EMC 问题：

• 在模组外围电路 layout 走线时，对于电源和信号线等走线，保持 2 倍线的间距宽度，可以有效地减少信号之间的耦合，使信号有较“干净”的回流路径。
• 外围电源电路设计时，去耦电容要摆放靠近模组电源管脚，高频高速电路和敏感电路应该远离 PCB 边缘，并且尽量隔离二者之间的布局，减少相互干扰，并且对敏感信号进行保护，对系统板侧可能存在干扰模组工作的电路或器件进行屏蔽设计。

设计时需要注意 ESD 防护：

• 对关键输入输出信号接口，比如 SIM 卡信号、USB 信号、TF 卡信号等接口，需要就近放置 ESD 器件进行保护。
• 此外在主板侧，需要合理设计结构件和 PCB 布局，保证金属屏蔽壳等充分接地，为静电放电设置一条通畅的泄放通道。

PCB 焊盘设计

涂鸦建议在设计主板上面的封装焊盘时，中间的 64 个焊盘按结构图中的尺寸进行设计，而对于外围 80 个信号焊盘向模组外加长 0.3mm 以上，焊盘的其他三边向外延伸 0.05mm 处理。

热设计建议

模组在工作过程中本身会发热，也可能受到其他高温器件的影响。本模组设计时对散热进行了考虑，与系统板连接时请保持地热焊盘接地良好，这对热传导与热平衡有很大帮助，同时对于整机的电气性能也有很大好处。

封装信息

机械尺寸和背面焊盘尺寸

LZ501-CN 尺寸大小：22.2mm±0.35 (W)×20.2mm±0.35 (L)×2.4mm±0.15(H)，其中 PCB 厚度 0.8mm±0.1 mm。

PCB 封装图（SMT）

钢网开孔推荐

• 钢网厚度：建议开阶梯钢网，模组位置钢网厚度推荐 0.18-0.2mm，其他位置根据产品设计确定厚度。
• 模组 LCC 引脚：钢网开孔长度方向内切 0.1mm,外扩 1mm;宽度方向内切 0.16mm（单边 0.08mm），内切长度 1.4mm（模组引脚长度，防止锡珠产生），外扩 0.2mm(单边 0.1mm），外扩长度 2mm（外露在模组引脚底部以外的区域，增加锡量）。
• 模组 LGA 引脚：开孔面积为焊盘面积 60%，单个开孔面积过大可在中间隔断 0.3mm。