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LZ5x1模组硬件设计指南

更新时间:2022-09-22 02:09:17下载pdf

本文介绍了 LZ5X1 系列模组的硬件设计指导。

背景信息

适用范围

LZ5x1 系列模组硬件设计指南适用于 LZ501-CN 系列模组。

撰写目的

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。

本文旨在给开发者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、射频性能指标以及开发者电路设计指导。

缩略语

缩略语 英文全称 中文解释
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

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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,支持显示屏、摄像头、键盘矩阵、麦克风、喇叭、耳机、充电和 USIM 卡等外设。

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 LTE-FDD:最大 10 Mbps(下行)/ 最大 5 Mbps(上行)
LTE-TDD Cat.1 数据速率 LTE-TDD:最大 8.2 Mbps(下行)/ 最大 3.4 Mbps(上行)
蓝牙 BLE 4.2,可用于 APP 配网和蓝牙控制
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

1 表示当模组工作在此温度范围时,模组的相关性能满足 3GPP 标准要求。
2 表示当模组工作在此温度范围时,模组仍能正常工作,仅个别射频指标可能略微超出 3GPP 规范要求。

模组外观

LZ5x1模组硬件设计指南
LZ5x1模组硬件设计指南

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:

LZ5x1模组硬件设计指南

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 -
3 ANT_MAIN I/O 主集天线
4~5 GND -
6 NC - -
7~8 GND -
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,使用时需要外部上拉到VDD_EXT,不用则悬空
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 -
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 -
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 -
56 I2C2_SCL I/O I2C 时钟信号,OpenCPU 模式可用作 GPIO16
57 GND -
58 LCD_SIO O SPI LCD 数据信号
59 ADC3 AI 模数转换接口3
60 GND -
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 -
64 ADC2 AI 模数转换接口2
65 GND -
66 GND -
67 ISENSE I 充电电流检测
68 GND -
69 LCD_CS O SPI LCD 片选
70 GND -
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 -
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,慢闪表示连接到涂鸦云
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

电源接口

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。
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  • 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。

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开机,复位接口

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。

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  • 如果客户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。

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  • 推荐使用开集驱动,电路如下图所示:
    开机电路
    LZ5x1模组硬件设计指南
    复位电路
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UART 接口

管脚描述

本模组提供 3 路 UART 接口:

  • 串口 1:可用于客户 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

LZ5x1模组硬件设计指南

模组的串口电平为 1.8V。若客户 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:

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也可以使用三极管做电平转换:

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注:串口 2、3 与串口 1 的连接方式相同参考上图。

USB 接口

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
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Micro USB 连接器
LZ5x1模组硬件设计指南

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。
    LZ5x1模组硬件设计指南
  • 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 卡接口

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

LZ5x1模组硬件设计指南

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 接口描述

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,慢闪表示连接到涂鸦云

接口应用

  • NET_MODE 为电流源,需接到 LED 负极。
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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。
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HP耳机 接口

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 接口

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

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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。
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充电接口

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:
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分立器件参考电路:
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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 接口

模组在 Open CPU 固件下部分管脚可以复用为 GPIO。

请参考文档 7:LZ5x1 系列 Open CPU GPIO 配置表

天线接口

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,BLE/Wi-Fi 天线和 GNSS 无源天线

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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:

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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。

LZ5x1模组硬件设计指南

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
    LZ5x1模组硬件设计指南

  • IPEX-FPC 天线
    LZ5x1模组硬件设计指南

  • 内置 FPC 天线
    LZ5x1模组硬件设计指南

  • 蓝牙可用 PCB 板载天线
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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

我们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。

请注意:

  • 尽量让本模组产品远离电源、高速信号线放置,保护好这些干扰源走线。

  • 天线及连接网卡和天线的同轴线缆请勿靠近这些干扰源放置。

  • 请勿让模组靠近诸如 CPU 等发热量较大的器件放置。温度升高会影响到射频性能。

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。

LZ5x1模组硬件设计指南

说明:模组长宽公差±0.35mm。高度±0.15mm。PCB板厚公差±0.1mm。

PCB 封装图-SMT

LZ5x1模组硬件设计指南

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。