CN103327656B - 通信模块和便携式终端 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了通信模块和便携式终端，其通信模块包括NGFF接口、开关单元、充电保护单元和延时单元。NGFF接口包括电源管脚和USB数据传输管脚；所述USB数据传输管脚短于所述电源管脚；本发明由于在通信模块设置NGFF接口减小了通信模块的体积，减少了通信模块与便携式终端装配时的结构限制。而且设置USB数据传输管脚短于所述电源管脚，使便携式终端可预先保存USB数据或完成上电准备，再进行USB切断或通讯，确保了数据的完整性和稳定性；在通信模块插入时，由充电保护单元先进行小电流充电，消除开关单元打开瞬间的冲击电流，避免此时产生的瞬间大电流损坏开关单元，提高了系统的稳定性和可靠性。

Description

通信模块和便携式终端
技术领域
本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种通信模块和便携式终端。
背景技术
目前的通信模块常用的有3G模块和4G模块，一般装配在手机、平板电脑等智能终端中，与其内部的控制系统连接即可实现上网功能。3G/4G模块的体积大小及接口方式会直接影响到装配3G/4G模块的智能终端的体积及连接方式，特别是便携式智能终端对3G/4G模块的体积大小及接口要求更严格。
而现有的3G/4G模块一般采用Mini-PCIe接口，其接口的体积较大，已不适应目前便携式智能终端的要求。而且3G/4G模块在使用时常与终端的Mini-PCIe连接器进行热插拔操作，即带电插拔、允许用户在不关闭系统，不切断电源的情况下取出或更换3G/4G模块。这种方式只需简单的插入、拔出动作即可取出3G/4G模块，且系统保持不间断地正常运行，从而提高了系统对灾难的及时恢复能力、扩展性和灵活性。
但是，现有的3G/4G模块在热插拔时存在以下问题：
1、USB接口数据损坏。现有3G/4G模块的PCB板在设计时，所有信号、数据管脚的长度均相等，如USB数据接口的D+（正数据）管脚、D-（负数据）管脚与电源管脚的长度相同。当3G/4G模块拔出时，USB的通讯和数据传输同时断开，此时数据可能仍在传输中，主机系统还来不急保存数据导致部分数据丢失。
2、电源接口产生瞬间大电流。3G/4G模块在插入时，主机系统输出的电源电压会立即输入到3G/4G模块的电源端，产生一个大的瞬间电流。该大电流可能会烧损3G/4G模块的电源模块中的部分元件，导致系统工作失常、甚至崩溃。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种通信模块和便携式终端，以解决现有通信模块体积大、及通信模块进行热插拔时出现数据损坏、产生大的瞬间电流导致系统不稳定的问题。
为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：
一种通信模块，其包括：
NGFF接口，所述NGFF接口包括电源管脚和USB数据传输管脚；所述USB数据传输管脚短于所述电源管脚；
开关单元，用于控制通信模块的供电端与所述电源管脚供电的通断；
充电保护单元，用于开关单元关闭时充电，消除开关单元打开瞬间的冲击电流；
延时单元，用于控制开关单元延时打开；
所述开关单元、充电保护单元和延时单元分别连接NGFF接口的电源管脚，所述开关单元通过所述充电保护单元连接所述供电端。
所述的通信模块中，所述开关单元为MOS管，所述MOS管的源极连接NGFF接口的电源管脚、充电保护单元的第一输入端和延时单元的第一端，所述MOS管的栅极连接延时单元的第二端，所述MOS管的漏极连接充电保护单元的第二输入端。
所述的通信模块中，所述充电保护单元包括第一电阻、第一电容和第二电容；所述第一电阻的一端连接MOS管的源极、NGFF接口的电源管脚和延时单元的第一端，所述第一电阻的另一端连接MOS管的漏极、第一电容的一端、第二电容的正极和通信模块的供电端；所述第一电容的另一端和第二电容的负极均接地。
所述的通信模块中，所述延时单元包括第二电阻和第三电容，所述第二电阻的一端连接MOS管的栅极，第二电阻的一端还通过第三电容连接第一电阻的一端、MOS管的源极和NGFF接口的电源管脚，第二电阻的另一端接地。
所述的通信模块中，所述NGFF接口还包括至少一射频管脚和至少两个接地管脚，所述接地管脚位于射频管脚的两侧。
所述的通信模块中，每一射频管脚的两侧分别设置有两个接地管脚。
所述的通信模块中，所述USB数据传输管脚的长度为2/3电源管脚的长度±0.1mm。
所述的通信模块中，所述通信模块还包括PCB板，所述PCB板上设置有电子元件布设区和罩设于所述电子元件布设区的屏蔽罩。
一种便携式终端，包括控制系统和上述的通信模块，所述通信模块连接控制系统。
所述的便携式终端中，所述通信模块还包括功率器件或结构器件，所述功率器件或结构器件设置于所述控制系统中，并通过NGFF接口与通信模块的PCB板电连接。
相较于现有技术，本发明提供的通信模块和便携式终端，由于在通信模块设置NGFF接口减小了通信模块的体积，减少了通信模块与便携式终端装配时的结构限制。而且设置USB数据传输管脚短于电源管脚，使便携式终端可预先保存USB数据或完成上电准备，再进行USB切断或通讯，确保了数据的完整性和稳定性；在通信模块插入时，由充电保护单元先进行小电流充电，消除开关单元打开瞬间的冲击电流，避免此时产生的瞬间大电流损坏开关单元，提高了系统的稳定性和可靠性。
附图说明
图1为本发明提供的通信模块的结构原理框图。
图2为本发明提供的通信模块的主视结构图。
图3为本发明提供的通信模块的后视结构图。
图4为图2中 A处的放大示意图。
图5为本发明提供的通信模块的电路图。
具体实施方式
本发明提供一种通信模块和便携式终端，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供的通信模块为3G模块、4G模块等，插入智能终端（即便携式终端，如手机、平板电脑等）及其它便携式终端中实现上网功能。所述通信模块使用了小型的NGFF接口，便携式终端中设置与相应的NGFF连接器。所述通信模块不但有兼容标准NGFF接口的功能，同时尺寸明显减小，还能满足热插拔的要求，充分满足未来智能终端及其它设备对4G、3G模块的需求。
请参阅图1、图2和图3，其中，图1为本发明提供的通信模块的结构框图。图2为本发明提供的通信模块的主视结构图。图3为本发明提供的通信模块的后视结构图。
如图1至图3所示，本发明提供的通信模块包括PCB板60、NGFF接口10（Next Generation Form Factor，）、开关单元20、充电保护单元30和延时单元40。其中，所述NGFF接口10为intel公司为超极本量身定做的新一代接口标准，可使通信模块的尺寸设计为42mm×22mm，单面布置元器件的厚度为2.75mm，双面布置元器件的厚度为3.85mm。因此该NGFF接口10体积小于现有Mini-PCIe接口，使通信模块具有小型化、接口规范化、支持热插拔等特点。
具体来说，所述NGFF接口10、开关单元20、充电保护单元30和延时单元40均设置在所述PCB板60上，所述NGFF接口10为金手指接口，且位于PCB板60一端，使通信模块通过该NGFF接口10插入便携式终端（如手机、平板电脑等终端）与其内部的控制系统连接（即与便携式终端内部的控制电路连接）即可实现上网功能。
所述NGFF接口10包括电源管脚101和USB数据传输管脚102，所述开关单元20、充电保护单元30和延时单元40分别连接NGFF接口10的电源管脚101，所述开关单元20通过所述充电保护单元30连接所述通信模块的供电端J1。其中，开关单元20用于控制通信模块的供电端J1与所述电源管脚101供电的通断。充电保护单元30用于开关单元20关闭时充电，消除开关单元20打开瞬间的冲击电流；延时单元40用于控制开关单元20延时打开。通过充电延时单元40控制开关单元20延时打开，并且在预定延时时间内（即开关单元20关闭时间内），通过充电保护单元30进行小电流充电，消除了开关单元20打开瞬间的冲击电流，避免损坏开关单元20。应当说明的是，本发明在通信模块上仅增加了开关单元20、充电保护单元30和延时单元40，而通信模块的其余模块为现有技术，在此不作详述。
请参阅图2、图3和图4，所述NGFF接口10的USB数据传输管脚102包括正数据传输管脚D+和负数据传输管脚D-，为了在热插拔时避免数据丢失或保存失败，所述USB数据传输管脚102短于所述电源管脚101。此处可以理解为USB数据传输管脚102短于NGFF接口10的其它管脚（包括电源管脚101）。在设计通信模块的PCB板60时，将USB数据传输管脚102设置于PCB板60的正面，PCB板60正面的其余管脚和其背面管脚均可保持标准NGFF接口10的管脚的长度。
本发明实施例中，所述USB数据传输管脚102的长度为2/3电源管脚101的长度±0.1mm。当通信模块插入时，电源管脚101先与其插入设备的电源管脚先接通，使整个系统先通电工作起来，然后正数据传输管脚D+和负数据传输管脚D-再分别与NGFF连接器上的正数据传输管脚D+和负数据传输管脚D-接通，进行USB通讯。这样便携式终端中的CPU（Central Processing Unit，中央处理器）就能提前对通信模块加电，系统已经稳定后再做好准备等待USB数据的传输。
当通信模块拔出时，正数据传输管脚D+和负数据传输管脚D-先断开、即USB通讯先断开；此时CPU即可处理USB的断开事件并保存好相关数据。之后，通信模块的电源管脚101再与NGFF连接器的电源管脚断开连接，使通信模块断电。在具体实施时，正数据传输管脚D+和负数据传输管脚D-的长度比其他管脚（包括电源管脚101）短L，L优选为0.5mm，如图4所示。该长度可根据插拔速度的不同，电源管脚101断开的时间比USB数据传输管脚102断开的时间会延后大约几百毫秒，则在所述USB数据传输管脚102与NGFF连接器断开之后、电源管脚101与NGFF连接器的电源管脚断开之前就有了几百毫秒的时间段，CPU在这个时间段内足以处理完USB断开事件并保存好相关数据。这样在通信模块断电前CPU已经保存所有数据、并停止了数据的传输，就可避免现有技术中断电与断开数据传输同时进行导致数据丢失、保存失败的问题，大大提高了数据的完整性和正确性。
为了避免通信模块插入时智能终端的NGFF连接器产生一个大的瞬间电流，本发明采用开关单元20来关断通信模块的供电端J1与所述电源管脚101供电的连接，使通信模块免受瞬间大电流的冲击，在瞬间大电流消除后，开关单元20再控制信模块的供电端J1与所述电源管脚101供电的连接。
请参阅图1和图5，所述开关单元20为MOS管Q1，所述MOS管Q1的源极连接NGFF接口10的电源管脚101、充电保护单元30的第一输入端1和延时单元40的第一端4，所述MOS管Q1的栅极连接延时单元40的第二端5，所述MOS管Q1的漏极连接充电保护单元30的第二输入端2，充电保护单元30的输出端3连接通信模块的供电端J1。
控制系统的NGFF连接器的电源管脚提供的系统电源SYSTEM_POWER通过NGFF接口10的电源管脚101输出至MOS管Q1的源极、充电保护单元30的第一输入端1和延时单元40的第一端4。在具体实施时，所述MOS管Q1为PMOS管，当其栅极输入低电平时，MOS管Q1导通；当其栅极输入高电平时，MOS管Q1截止。
所述充电保护单元30，用于开关单元20关闭时进行小电流充电，消除开关单元20打开瞬间的冲击电流，并且使通信模块的供电端J1的电压通过充电上升，在供电端J1的电压4G/3G_POWER等于或接近SYSTEM_POWER电压时，MOS管Q1打开，这时开关冲击电流最小，对系统电源影响最小。
本实施例中，所述充电保护单元30包括第一电阻R1、第一电容C1和第二电容C2；所述第一电阻R1的一端连接MOS管Q1的源极、NGFF接口10的电源管脚101和延时单元40的第一端4，所述第一电阻R1的另一端连接MOS管Q1的漏极、第一电容C1的一端、第二电容C2的正极和通信模块的供电端J1；所述第一电容C1的另一端和第二电容C2的负极均接地。为了控制充电保护单元30的充电电流和充电时间，所述第一电阻R1的阻值优选为20Ω，第一电容C1为滤波电容，用于滤除高频、脉冲干扰，其容值为100pF。第二电容C2为大电容，用于充电、将脉冲耗电控制在适应的范围内，其容值为150uF。
所述延时单元40用于控制MOS管Q1延时导通的时间，其具体包括：第二电阻R2和第三电容C3，所述第二电阻R2的一端连接MOS管Q1的栅极，第二电阻R2的一端还通过第三电容C3连接第一电阻R1的一端、MOS管Q1的源极和NGFF接口10的电源管脚101，第二电阻R2的另一端接地。其中，第二电阻R2和第三电容C3连接点的电压为Vg。
需要注意的是，第一电阻R1、第二电阻R2、第二电容C2、第三电容C3的取值大小应满足：所述第一电阻R1和第二电容C2的时间常数小于第二电阻R2和第三电容C3的时间常数；也即是说，在第二电容C2充满电、且通信模块的电源电压4G/3G_POWER接近或等于系统电源SYSTEM_POWER之后，第三电容C3才完成负充电、即电压Vg下降至MOS管Q1阈值电压。这是因为当电源电压4G/3G _POWER接近或等于系统电源SYSTEM_POWER时，从系统电源SYSTEM_POWER流向电源电压4G/3G _POWER的电流很小，此时再导通MOS管Q1，也就避免了刚插入时具有一定压值的系统电源SYSTEM_POWER传输至0V的电源电压4G/3G _POWER出现大的瞬间电流，瞬间电流对MOS管Q1的冲击就小，也就不会烧损通信模块中电源模块内部的元件，对通信模块的电源影响变小。因此，根据上述第一电阻R1和第二电容C2的取值大小，相应地设置第二电阻R2的阻值为220K，第三电容C3的容值为1uF。
以下通信模块为4G/3G模块插入平板电脑为例，结合图5对通信模块插拔瞬间大电流的避免和限制的实现过程作详细说明：
平板电脑的系统电源SYSTEM_POWER通过该NGFF接口10连接到4G/3G模块的MOS管Q1的源极，MOS管Q1作为4G/3G模块电源的开关，当4G/3G模块刚连接到系统电源SYSTEM_POWER时，由于电容的特性，第三电容C3两端的电压不能突变，第三电容C3和第二电阻R2的连接点电压Vg，在4G/3G模块刚连接到系统电源时的电压为SYSTEM_POWER，既MOS管Q1的栅极电压为SYSTEM_POWER，此时MOS管Q1的栅极和源极电压均为SYSTEM_POWER，MOS管Q1处于关断状态，这时系统电源SYSTEM_POWER通过第一电阻R1对第一电容C1和第二电容C2进行小电流充电，其充电电流为（SYSTEM_POWER-4G/3G_POWER）/R1。当电压Vg下降至等于MOS管Q1的开关阈值电压时，MOS管Q1导通，由于MOS管Q1的导通内阻很小可以忽略，通信模块的电源端J1可以看作直通系统电源的电源管脚，即4G/3G_POWER的电压等于或接近SYSTEM_POWER电压。因此，可通过调节第二电阻R2和第三电容C3的值来确定MOS管Q1的时延常数t，t=R2×C3×ln((SYSTEM_POWER-Vg)/SYSTEM_POWER)，使MOS管Q1导通时，4G/3G_POWER的电压等于或接近SYSTEM_POWER电压，这时开关冲击电流最小，对系统电源影响最小。
本发明还对NGFF接口10的射频管脚103作为相应处理，减少射频信号衰减，请参阅图2和图3，所述NGFF接口10还包括至少一射频管脚103和至少两个接地管脚104，所述接地管脚104位于射频管脚103的两侧。射频管脚103均设置在PCB板60的正面，以图2视角，每一射频管脚103的左右相邻的管脚均为接地管脚104。
本发明采用的NGFF接口10的端子很小，分布电容、分布电感等参数也小，对射频信号的影响相对也小，同时NGFF接口10的管脚均为镀金或化学沉淀金处理，对射频信号的衰减也小。并且本发明还采用对射频管脚的两边设置接地管脚，还具有对射频信号进行屏蔽保护等作用。
具体实施过程中，所述USB数据传输管脚102使用标准NGFF接口的USB2.0管脚，射频管脚103和部分接地管脚104使用标准NGFF接口的USB3.0管脚。为了使射频信号的衰减最小，接地管脚104的数量为射频管脚103数量的两倍以上，且每一射频管脚的两侧分别设置有两个接地管脚，即每两个射频管脚103之间设置有两个接地管脚104，以图2的视角，每个射频管脚103的左、右两侧各设置有两个接地管脚104。本实施例中，所述NGFF接口10的其它管脚定义与标准NGFF接口其它管脚的定义相同，其它管脚的定义可参阅标准NGFF接口的技术资料，本发明对此不作详述。
本发明实施例中，所述通信模块的PCB板60上设置有电子元件布设区（图中未标出），该电子元件布设区设置有电子元件，为了减小信号干扰，所述PCB板60上还设置有屏蔽罩50，屏蔽罩50罩设于所述电子元件布设区上。
本发明还相应提供一种便携式终端，其包括控制系统和通信模块，所述通信模块具有NGFF接口，该通过模块通过该NGFF接口插入控制系统的NGFF连接器中实现上网功能。
以通信模块为3G模块或4G模块为例，所述通信模块还包括高度较高的功率器件（如大电容、电源组件、DC/DC等）或结构较大的结构器件（如SIM卡座、SD卡座、接插件等），现有的3G模块或4G模块中，这些功率器件和结构器件均设置在3G模块或4G模块的PCB板上，使得通信模块的体积大。
在本发明的通信模块中，其采用了intel公司为超极本量身定做的新一代接口标准NGFF接口，可使4G模块或3G模块尺寸为42mm×22mm，为了降低3G模块或4G模块的厚度，所述功率器件或结构器件设置于所述控制系统中（即将功率器件或结构器件设置在控制系统的PCB板上），并通过NGFF接口与通信模块的PCB板上的控制电路电连接，实现了通信模块单面布置元器件的厚度为2.75mm，双面布置元器件的厚度为3.85mm，从而使得通信模块的体积大大减小。
综上所述，与现在技术相比本发明具有以下有益效果：
1、通信模块的接口为小型的NGFF接口，实现了通信模块具有小型化、接口规范化等特点。
2、采用本发明NGFF接口的通信模块，其尺寸为42mm×22mm，单面布置元器件的厚度为2.75mm，双面布置元器件的厚度为3.85mm，将一些高度比较高的器件（如功率器件、结构器件等无法降低高度的器件）放于模块外部的控制系统中以减小通信模块的厚度。
3、NGFF接口采用射频管脚的两边管脚接地，使射频信号的衰减小，及对射频信号进行屏蔽保护等。
4、设计NGFF接口的USB数据传输管脚比电源管脚短，使通信模块接入控制系统时电源先接通使系统先工作起来，然后USB数据传输管脚再接通进行USB通讯；当通信模块拔出时USB数据传输管脚先断开，也就是USB通讯先断开，在USB通讯断开后，控制系统的CPU会马上处理USB的断开事件并保护好相关数据，使NGFF接口支持热插拔。并且通过在通信模块中设置开关单元、充电保护单元和延时单元，对通信模块进行热插拔防护：避免和限制在通信模块插拔瞬间大电流，以保护通信模块的电源，防止通信模块的电源崩溃。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种通信模块，其特征在于，包括：
NGFF接口，所述NGFF接口包括电源管脚和USB数据传输管脚；所述USB数据传输管脚短于所述电源管脚；
开关单元，用于控制通信模块的供电端与所述电源管脚供电的通断；
充电保护单元，用于开关单元关闭时充电，消除开关单元打开瞬间的冲击电流；
延时单元，用于控制开关单元延时打开；
所述开关单元、充电保护单元和延时单元分别连接NGFF接口的电源管脚，所述开关单元通过所述充电保护单元连接所述供电端；
所述NGFF接口还包括至少一射频管脚和至少两个接地管脚，所述接地管脚位于射频管脚的两侧。
2.根据权利要求1所述的通信模块，其特征在于，所述开关单元为MOS管，所述MOS管的源极连接NGFF接口的电源管脚、充电保护单元的第一输入端和延时单元的第一端，所述MOS管的栅极连接延时单元的第二端，所述MOS管的漏极连接充电保护单元的第二输入端。
3.根据权利要求2所述的通信模块，其特征在于，所述充电保护单元包括第一电阻、第一电容和第二电容；所述第一电阻的一端连接MOS管的源极、NGFF接口的电源管脚和延时单元的第一端，所述第一电阻的另一端连接MOS管的漏极、第一电容的一端、第二电容的正极和通信模块的供电端；所述第一电容的另一端和第二电容的负极均接地。
4.根据权利要求3所述的通信模块，其特征在于，所述延时单元包括第二电阻和第三电容，所述第二电阻的一端连接MOS管的栅极，第二电阻的一端还通过第三电容连接第一电阻的一端、MOS管的源极和NGFF接口的电源管脚，第二电阻的另一端接地。
5.根据权利要求1所述的通信模块，其特征在于，每一射频管脚的两侧分别设置有两个接地管脚。
6.根据权利要求1所述的通信模块，其特征在于，所述USB数据传输管脚的长度为2/3电源管脚的长度±0.1mm。
7.根据权利要求1所述的通信模块，其特征在于，所述通信模块还包括PCB板，所述PCB板上设置有电子元件布设区和罩设于所述电子元件布设区的屏蔽罩。
8.一种便携式终端，包括控制系统，其特征在于，还包括如权利要求1-7任意一项所述的通信模块，所述通信模块连接控制系统。
9.根据权利要求8所述的便携式终端，其特征在于，所述通信模块还包括功率器件或结构器件，所述功率器件或结构器件设置于所述控制系统中，并通过NGFF接口与通信模块的PCB板电连接。
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