NB-IoT模组介绍-NM1

1. 关于此文档

1.1 适用范围

Tuya模块产品硬件开发指导手册旨在帮助客户快速了解NM1模块的硬件接口规范、电气特性、机械规范以及其他相关信息。此文档适用于NM1产品的硬件开发指导。用户需按照此文档要求和指导进行设计,该文档仅适用于NM1产品的硬件应用开发。

1.2 撰写目的

此文档给NM1模块产品使用者提供了设计开发依据。通过阅读此文档,用户可以对本产品有整体认识,对产品的技术参数有明确的了解,并可在此文档基础上顺利完成相关功能类产品或设备的应用开发。
此硬件开发文档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、射频性能指标以及用户电路设计指导。旨在给用户提供一个较为全面的设计参考。

1.3 缩略语

表 1-2是整个文档中涉及到的有关缩略语及中、英文解释。
表 1-2 缩略语列表
缩略语英文全称中文解释
ESDElectro-Static discharge静电放电
USBUniversal Serial Bus通用串行总线
UARTUniversal Asynchronous Receiver Transmitter通用异步收发器
SIMSubscriber Identification Module用户识别模块
SPISerial Peripheral Interface串行外设接口
I2CInter-Integrated Circuit交互集成线路
I/OInput/output输入/输出
GPIOGeneral-purpose Input/output通用输入输出接口
TDBTo Be Determined待定
RTCReal Time Clock实时时钟
ADCAnalog-to-Digital Converter模拟-数字转换器

2. 产品简介

NM1是一款体积小、高性能、低功耗的 NB-IoT 系列模块。该模块产品的功能特点如下:
1)支持B1/B3/B5/B8/B20频段 (B2/B23/B13/B17/B18/B19/B25/B26/B28/B66正在开发中,后续支持);
2)提供SIM卡接口(1.8V)、USB1.1接口、UART接口、SPI接口、I2C接口、GPIO接口等等;

2.1 封装尺寸

本产品模块有66 pin,封装尺寸是17.7*15.8mm,高度是 2.4mm。

2.2 产品技术参数

本产品的主要特性可以从机械特性、基带、射频、技术标准和环境特性等方面来看。
表 2-1 主要技术参数
标题参数项规格说明
机械特性尺寸大小/封装类型17.7mm15.8mm2.6mm/邮票孔 (52 Pin),底部焊盘14 Pin
模块平台MT2625
模块处理器架构ARM Cortex -M4
模块SIM1.8V SIM card
模块USB 接口USB 1.1
模块电压2.1-3.63V
模块正常工作模式Active:模块处于活动状态;所有功能正常可用,可以进行数据发送和接收;模块在此模式下可切换到 Idle 模式或 PSM 模式。 Idle:模块处于浅睡眠状态,模块处于网络连接状态,可接收寻呼消息。模块在此模式下可切换至 Active 或 PSM 模式。 PSM:模块只有 RTC 工作,网络处于非连接状态,不可接收寻呼消息。当定时 器超时后,模块将被唤醒;也可通过 PWRKEY和 PSM_EINT*从 PSM 唤醒模块。
模块省电模块在 PSM 下耗流极低(最小耗流:5uA)。PSM 的主要目的是降低模块功耗,延长电池的供电时间。
模块串口主串口:用于 AT 命令传送和数据传输,默认波特率:115200bps。也可用于固件升级,波特率使用 921600bps。 调试串口:用于输出日志信息以进行软件调试。 辅助串口:用于 AT 命令传送和数据传输。
模块工作电流TBD
模块RTC支持
模块ADC*有一个10 位模数转换输入接口来测量电压值。该模数转换接口在 Active 和 Idle 式下均可工作。
模块RI信号*当有短信接收或 URC 输出时,模块将通过 RI 引脚通知 DTE。
模块网络状态指示*NETLIGHT 信号可以用来指示模块的网络状态。
射频频段B1/B2*/B3/B5/B8/B12*/B13*/B17*/B18*/B19*/B20/B25*/B26* /B28*/B66*
射频最大发射功率23dBm±2dB
射频接收灵敏度TBD
射频主天线接口支持
射频天线接口50Ω 特征阻抗,不提供天线,天线由第三方提供。
技术标准数据速率 Single-tone:25.5kbps(下行),16.7kbps(上行)  Multi-tone*:25.5kbps(下行),62.5kbps(上行
技术标准网络协议特性UDP/TCP/CoAP/LWM2M/ PPP*/SSL*/DTLS*/FTP*/ HTTP*/MQTT*/HTTPS*
环境特性温度正常工作温度:-35°C ~ +75°C 1) 扩展工作温度:-40°C ~ +85°C 2) 存储温度:-40°C ~+90°C
应用短信*文本和 PDU 模式
应用升级通过主串口
注:
1.1) 表示当模块工作在此温度范围时,模块的相关性能满足 3GPP 标准要求。
2.2) 表示当模块工作在此温度范围时,模块仍能保持正常工作状态,具备短信*、数据传输等功能;不会出现不可恢复的故障;射频频谱、网络基本不受影响。仅个别指标如输出功率等参数的值可能会超出 3GPP 标准的范围。当温度返回至正常工作温度范围时,模块的各项指标仍符合 3GPP 标准。
3)“*****” 表示正在开发中

2.3 产品功能说明

2.3.1 基带功能介绍

本产品基带部分主要包括以下信号组:USB接口信号、SIM card接口信号、I2C接口信号、UART接口信号、工作状态指示灯信号、模块开机、复位信号及与多个GPIO端口复用的控制信号、电源和地等。

2.3.2 射频功能介绍

工作频段范围如表2-2所示。
表 2-2 工作频段
工作频段上行频段下行频段
B11920MHz~1980MHz2110MHz~2170MHz
B2*1850MHz~1910MHz1930MHz~1990MHz
B31710MHz~1785MHz1805MHz~1880MHz
B5824MHz~849MHz869MHz~894MHz
B8880MHz~915 MHz925MHz~960MHz
B12*699MHz~716MHz729MHz~746MHz
B13*777MHz~787MHz746MHz~756MHz
B17*704MHz~716MHz734MHz~746MHz
B18*815MHz~830MHz860MHz~875MHz
B19*830MHz~845MHz875MHz~890MHz
B20832MHz~862MHz791MHz~821MHz
B25*1850MHz~1915MHz1930MHz~1995MHz
B26*814MHz~849MHz859MHz~894MHz
B28*703MHz~748MHz758MHz~803MHz
B66*1710MHz~1780MHz2110MHz~2200MHz
注:“*” 表示正在开发中,后续支持。
表 2-3 线损要求
频段要求
LTE B5/B8/B12*/B13*/B17*/ ;B18*/B19*/B20/B26*/B28*线损<1dB
LTE B1/B2*/B3/B25*/B66*线损<1.5dB
表 2-4 天线要求
项目要求
频段LTE B1/B2*/B3/B5/B8/B12*/B13*/B17*/B18*/B19*/B20/B25*/B26* /B28*/B66*
驻波比≤ 2
效率≥30
最大输入功率 (W)50
输入阻抗(Ω)50
极化类型线极化
注:“*” 表示正在开发中
表 2-5 RF传导功率
频段最大值最小值
B123dBm±2dB<-39dBm
B2*23dBm±2dB<-39dBm
B323dBm±2dB<-39dBm
B523dBm±2dB<-39dBm
B823dBm±2dB<-39dBm
B12*23dBm±2dB<-39dBm
B13*23dBm±2dB<-39dBm
B17*23dBm±2dB<-39dBm
B18*23dBm±2dB<-39dBm
B19*23dBm±2dB<-39dBm
B2023dBm±2dB<-39dBm
B25*23dBm±2dB<-39dBm
B26*23dBm±2dB<-39dBm
B28*23dBm±2dB<-39dBm
B66*23dBm±2dB<-39dBm
1)该设计符合3GPP Rel.13和Rel.14中的NB-IOT协议
2)“*” 表示正在开发中。

3. 接口说明

3.1 管脚定义

3.1.1 标识符号说明

表 3-1 标识符号说明
管脚属性标识符号描述
I输入
O输出
IO输入/输出

3.1.2 管脚配置图

本产品接口管脚顺序定义如下图所示。

3.1.3 管脚描述

表 3-2 接口定义描述
管脚号模块信号定义管脚属性输入/输出管脚电压备注
1AGNDGND-
2GPIO0GPIO0-1.8
3SPI_MISO主机输入从机输 出信号I1.8-
4SPI_MOSI主机输出从机输 入信号O1.8-
5SPI_SCLK串行时钟信号O1.8-
6SPI_CS片选信号O1.8-
7PWRKEY拉低 PWRKEY 使 模块开机IV IL max=0.3* VBAT V IH min=0.7* VBAT-
8GPIO22GPIO22-
9ADC0通用模数转换接口I0V~1.4V-
10SIM_GNDSIM 卡专用地 GND-
11SIM_DATASIM 卡数据信号IOV IL max=0.25×SIM_VDD V IH min=0.75×SIM_VDD V OL max=0.15×SIM_VDD V OH min=0.85×SIM_VDD-
12SIM_RSTSIM 卡复位信号IOV OL max=0.15×SIM_VDD V OH min=0.85×SIM_VDD-
13SIM_CLKSIM 卡时钟信号IOV OL max=0.15×SIM_VDD V OH min=0.85×SIM_VDD-
14SIM_VDDSIM 卡电源O1.8-
15RESET复位模块 低电平有效I-
16NETLIGHT网络状态指示O-
17RXD主串口 接收数据I1.8-
18TXD主串口 发射数据O1.8-
19PSM_EINT外部中断引脚。 从 PSM 唤醒模块。I-
20SRCLKENAINFC 接口-1.8
21USB_DPUSB +信号-
22USB_DMUSB -信号-
23USB_EINTUSB_EINT-
24VIO18_EXT1.8V 输出电源(PSM 模式下无电压输出。)OVmin=1.53V Vnorm=1.8V-
25DVDD_IONCNCNC-
26NCNC-
27GNDGND-
28UART1_RXD辅助串口 接收数据I1.8-
29UART1_TXD辅助串口 发射数据O1.8-
30UART1_CTS是否接收数据-1.8
31UART1_RTS是否发送数据-1.8
32I2C0_SDAI2C0_数据IO-
33I2C0_SCLI2C0_时钟O-
34GNDGND-
35RF_ANTRF_天线50 欧姆特性阻抗
36GNDGND-
37GNDGND-
38RXD_DBG调试串口 接收数据I1.8-
39TXD_DBG调试串口 发射数据O1.8-
40GNDGND-
41GNDGND-
42VSYS_BB输入电源IVmin=2.1V Vnorm=3.3V Vmax=3.63V-
43VBAT_BOOST输入电源IVmin=2.1V Vnorm=3.3V Vmax=3.63V-
44VSYS_PA输出电源O3.3-
45GPIO11预留-1.8
46GPIO10预留-1.8
47GPIO25预留-1.8
48MD_WAKEUP-
49GPIO28预留-1.8
50AP_READY-
51STATUS-
52GPIO24预留-1.8
53GPIO34预留-1.8
54GPIO33预留-1.8
55GPIO21预留-1.8
56GPIO20预留-1.8
57GPIO8预留-1.8
58GPIO1预留-1.8
59GPIO19预留-1.8
60RTC_GPIO0-
61SIM_DETGPIO35-SIM卡检测
62GPIO32预留-1.8
63AVDD33_VUSB-I
64FREF基准频率I-
65GPIO31GPIO31-1.8
66GNDGND-

3.2 工作条件

表 3-3 模块工作条件
信号描述最小典型最大单位
VBAT_BOOST输入电源2.13.33.63V
VSYS_BB输入电源2.13.33.63V
VSYS_PA输出电源-3.3V

3.3 电源接口

3.3.1 电源管脚及地描述

本模块可采用电池或外部电源供电。
GND 信号,本产品的电源地和信号地,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,会对本产品的性能有影响。

3.3.2 供电要求

模块的电源设计对其性能至关重要。NM1可使用低静态电流、输出电流能力达到 0.5A 的 LDO 作为供电电源,也支持锂猛电池供电;其电源输入电压范围为 2.1V~3.63V。模块在数传工作中,必须确保电源跌落不低于模块最低工作电压 2.1V,否则模块会异常。
了确保更好的电源供电性能,在靠近模块 VBAT 输入端,建议并联3个47uF(0805封装)的陶瓷电容,以及 100nF、100pF(0402封装)和 22pF(0402封装)滤波电容。同时,建议在靠近VBAT 输入端增加一个 TVS 管以提高模块的浪涌电压承受能力。原则上,VBAT 走线越长,线宽越宽。参考电路如下图所示:

3.4 SIM卡接口

3.4.1 管脚描述

表 3-4 SIM卡信号组定义及说明
管脚号协议信号名称信号定义备注
11SIM_DATASIM卡数据管脚电压精度:1.8V±5% 最高电源电流:约60mA
13SIM_CLKSIM卡时钟管脚电压精度:1.8V±5% 最高电源电流:约60mA
12SIM_RSTSIM卡复位管脚电压精度:1.8V±5% 最高电源电流:约60mA
14SIM_VDDSIM卡电源电压精度:1.8V±5% 最高电源电流:约60mA

3.4.2 SIM卡接口应用

在 SIM 接口的电路设计中,为确保外部 SIM 卡的良好性能并防止外部 SIM 卡被损坏,在电路设计中建议遵循以下设计原则:
外部 SIM 卡座靠近模块摆放,尽量保证外部 SIM 卡信号线布线长度不超过 200mm;信号线布线远离 RF 走线和 VBAT 电源线。SIM_VDD 的去耦电容不超过 1uF,且电容应靠近外部 SIM 卡座摆放。为了防止 SIM_CLK 信号与 SIM_DATA 信号相互串扰,两者布线不能太靠近,并且在两条走线之间需增加地屏蔽。此外,SIM_RST 信号也需要地保护。
为确保良好的 ESD 防护性能,建议在外部 SIM 卡的引脚增加 TVS 管。选择的 TVS 管寄生电容应不大于 50pF。ESD 保护器件尽量靠近外部 SIM 卡座摆放,外部 SIM 卡信号走线应先从外部 SIM 卡座连到 ESD 保护器件再从ESD 保护器件连到模块。

3.5 SPI串行接口

3.5.1管脚描述

本产品的SPI接口信号定义如表3-7所示。(SPI支持salve模式)
表 3-5 SPI 信号定义
管脚号信号名称功能描述
3SPI_MISO主输入、从输出
4SPI_MOSI主输出、从输入
5SPI_ SCLKSPI 接口时钟信号
6SPI_CSSPI 选通信号

3.5.2 SPI 接口电气特性及接口应用

​ 该模块的 SPI 接口电平为 1.8V。若客户主机系统电平为3.3V,则需在模块和主机之间增加电平转换器;推荐使用一个支持 SPI 数据速率的电平转换器。参考电路如下图所示:

3.6 I2C总线

3.6.1 I2C 管脚描述

表 3-6 I2C信号定义
管脚号信号名称功能描述
32SDAI2C串行数据
33SCLI2C串行时钟
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。

3.6.2 I2C 接口电气特性及接口应用

3.7 UART接口

3.7.1管脚描述

本产品提供3路串行通信接口UART:主串口可用固件升级。其默认波特率为 115200bps,下载时波特率 921600bps;调试串口通过日志查看工具,客户可以通过调试串口来查看日志信息,以进行软件调试。
表 3-7 UART信号定义
管脚号信号名称功能描述
17RXDRXD 数据接收
18TXDTXD 发送数据
28UART1_RXDUART1_RXD 数据接收
29UART1_TXDUART1_TXD 发送数据
38RXD_DBGRXD_DBG 数据接收
39TXD_DBGTXD_DBG 发送数据

3.7.2 UART 接口电气特性及接口应用

NM1模块的串口电平为1.8V。若应用系统的电平为 3.3V,则需在模块和应用系统的串口连接中增加电平转换器。以UM3202为例,如下图:
也可以使用三极管做电平转换:
注:调试串口、辅助串口与主串口的连接方式同参考上图。

3.8 USB接口

3.8.1 USB及下载管脚描述(不支持com功能)

本产品具有USB1.1接口,USB只能用于模块升级。如果需要 ESD设计,必须满足ESD保护器件的结电容值<0.5pf,否则较大的结电容会引起波形失真,影响总线通讯。差分数据线的差分阻抗需控制在90ohm。
表 3-8 USB及下载管脚信号定义
管脚号信号名称功能描述
17RXD串口下载
18TXD串口下载
21USB_DPUSB_DP下载
22USB_DMUSB_DM下载
63AVDD33_VUSBAVDD33_VUSB

3.8.2 USB及下载接口应用

NM1模块电源输入标称值为3.3,接入时USB做下载时,需加上LDO电路,稳压到3.3V。

3.9 开/关机及复位接口

3.9.1 开/关机管脚描述

表 3-9 PWRKEY信号定义
管脚号信号名称功能描述
7PWRKEY模块开机

3.9.2 开/关机接口应用

本产品的开机流程是:将PWRKEY管脚拉低一段时间,再将该管脚悬空或拉高,即可开机。

3.9.3 复位管脚描述

表 3-10 RESET信号定义
管脚号信号名称功能描述
15RESET模块复位
RESET管脚用于复位模块,RESET管脚拉低一段时间后,再次将该管脚悬空或置高,即可复位。

3.9.4 复位接口应用

4. 设计指导

本章提供了本产品的一般设计指导,使用者可以参考设计指导进行设计,使产品达到较好的性能。

4.1 一般设计规则和要求

用户在设计本产品外围电路时,首先要保证外部电源电路能够提供充足的供电能力,并且对于信号线 USB1.1要求控制90ohm差分阻抗。对于一般信号接口,要求用户严格按照我们要求进行设计,符合接口信号电平匹配,以防电平不一致损坏模块。本产品自身射频指标良好,客户需要按照要求设计主板侧天线电路并做相应的阻抗控制,否则会影响到整机射频指标。

4.2 供电电路设计

要求系统板侧电源的供电能力要达到0.5A以上,满足模块峰值电流需求。系统板侧电源线应保证足够线宽,并且要与地平面形成良好的回流,此外在供电电路设计中应增加千微法级储能大电容,保证瞬时供电能力,并且电源纹波控制在100mv以内。

4.3 射频电路设计

34GNDGND-
35RF_ANTRF_天线50 欧姆特性阻抗
36GNDGND-
37GNDGND-

4.3.1 射频天线电路设计

射频天线外围电路设计建议预留π型匹配电路,匹配电路尽量靠近天线放置,且根据实际调试情况选贴。默认状态C1、C2不贴,R1贴0ohm电阻
射频外围电路请保持50欧的阻抗走线。
本产品天线外围电路设计,建议的射频电路Layout方案:射频线走一层,参考走二层。采用Shortcut to si 9000软件计算射频天线PCB走线阻抗,设定的相应模型如图 4-1所示,用户在设计PCB走线时需要注意:保证射频参考地点完整。
阻抗计算时,应按下图4-2所示,填写各个参数,过改变射频线宽度,使阻抗接近要得到的值,一般天线阻抗推荐值为50欧姆。

4.3.2 天线设计初期注意事项

4.3.2.1 项目前期评估
天线位置的选择首先要能保证天线和基站保持在水平方向,这样产生的效率最高;其次,尽量避免放置在电源或数据线、芯片等可能产生电磁干扰的器件或芯片附近。同时应避免手能放置在天线上的位置,这样防止人体对天线产生衰减;而且还要把降低辐射和结构的可实现性都要考虑进去。因此,在设计初期需要结构、ID、电路、天线工程师一起进行布局评估。
4.3.2.2 天线匹配电路
如果模块的射频端口与天线接口之间有较长的走线,在主板电路设计时,模块射频焊盘与天线接口射频之间的微带线或带状线按特性阻抗50欧姆设计,同时预留匹配电路。

4.4 EMC和ESD设计建议

用户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,在模块外围电路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块电源管脚,高频高速电路和敏感电路应该远离PCB边缘,并且之间的布局尽量隔离,减少相互之间干扰,并且对敏感信号进行保护,对系统板侧可能存在干扰模块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卡信号接口等地方,需要就近放置ESD器件进行保护,此外在主板侧,求用户合理设计结构件和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。

4.5 PCB焊盘设计

我们建议用户在设计主板上面的封装焊盘时,中间的14个焊盘按结构图中的尺寸进行设计,而对于一周 52个信号焊盘向模块外加长0.3mm以上,焊盘的其他三边向外延伸0.05mm处理。对于主天线及WIFI天线,请采用50欧阻抗线设计。

4.6 热设计建议

模块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。本产品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:
1)尽量让本模块产品远离电源、高速信号线放置,并对这些干扰源走线要保护好。
2)天线及连接网卡和天线的同轴线缆也不要靠近这些干扰源放置。
3)不要让模块靠近诸如CPU等发热量比较大器件放置,温度升高会影响到射频性能。

5. 产品生产指导

5.1 钢网设计

钢网设计需要注意:
在做模块底部thermal pad的钢网时,可以通过缩小钢网开口的方式,缩小至原来的75%,减少模块thermal与模块四周功能Pin脚之间的短路风险,具有一定效果;
为了使模块具有很好的焊接性,建议开阶梯钢网;
模块thermal pad焊盘钢网开口建议采用斜条状的。图5-1是推荐的钢网条纹。

5.2 炉温曲线

炉温曲线对焊接质量以及物料状态影响较大,请特别注意。温升速度不宜过快,从室温到150℃控制温升速率小于3℃/秒。同时在大于217℃以上时,请尽量保持时间不大于70秒,以中间值55秒为宜。否则热冲击强度太大将会导致部分器件失效,造成良率下降以及维修难度。并请精确控制最高温度不超过245℃,部分材料,如晶体在高温下易发生封装破裂,导致无法起振问题,进而影响产品的功能,炉温曲线的设置可以参考表 5-1所示,炉温曲线参考如图5-2,
表 5-1 炉温曲线参数设置
无铅制程炉温曲线
阶段温度时间
预热温度从室温升至 150℃温升速率<3℃/秒
保温150℃~200℃40~110 秒
焊接大于 217℃40~70 秒
焊接230℃以上15~45 秒
焊接峰值温度MAX:245℃
焊接峰值温度MIN:230℃
为避免模块因反复受热而损坏,建议客户在完成 PCB 板第一面的回流焊之后再贴模块。

6. 机械尺寸

该章节描述了模块的机械尺寸,所有的尺寸单位为毫米。

6.1 模块机械尺寸

6.2 推荐封装

NB-IoT模组介绍-NM1