物联网低功耗设计：Vref 伪电源的核心特性与避坑

在物联网电池供电设备的设计中，低功耗表现直接影响产品续航与整体可靠性。

不少开发者在调试深度休眠场景时都会遇到一个共性问题：模组进入低功耗模式后，如何保证小电流参考电平持续稳定？

本文要介绍的 Vref 功能，依托 AGPIO 引脚在休眠状态下的特性，正是应对这类问题的实用设计。

一、外部“电源”Vref是什么？

先要明确，这里所说的“电源”之所以加引号，核心原因是它并非真正意义上的供电模块——既不是模组内部的DCDC直流变换电路，也不是LDO低压差线性稳压器，本质上就是模组的AGPIO管脚。

在模组中，Vref通常指PIN99:GPIO23

在低功耗模式下，如：

pm.WORK_MODE,1

pm.WORK_MODE,3

Vref可以保持固定高电平输出，从而作为外部电路的“参考电源”使用。

二、为什么要使用Vref？

为什么要使用Vref，要从VDD_EXT的局限说起。大家还记得我们在VDD_EXT章节中对VDD_EXT一个重要特性的介绍吗？

• VDD_EXT标称输出电流最大至200mA，但是VDD_EXT同时用于模组芯片内部和外部，为了保证内部该电压域负载的使用稳定性，请保证外部负载消耗电流不要超过50mA。
• VDD_EXT在低功耗模式pm.WORK_MODE,1状态下间歇性输出，频率和与通信协议要求的时间间隔相同，通常为0.64S/1.28S/2.56S中的一个。

因此，在可能影响低功耗模式pm.WORK_MODE,1下中断唤醒的场合，要避免使用VDD_EXT做上拉电平用，比如UART1电平转换电路（UART1为LPUART，低功耗模式pm.WORK_MODE,1 下可被唤醒）。

如下图所示：UART1电平转换电路里出现的VREF，就是我们今天要介绍的对外“电源”——Vref。

如果图中的VREF电源使用的是VDD_EXT，那么低功耗模式pm.WORK_MODE,1 下模组的UART1_RX频繁的高低电平变化就会将模组唤醒，进而导致模组退出低功耗模式而功耗无法降低。

也正是因为类似场景的需要，所以会将譬如PIN99:GPIO23这样的AGPIO固定输出高作为Vref使用。

一般来说，如果没有其它特殊情况，都是将PIN99:GPIO23作为Vref参考电压使用。

三、Vref的特性要点

Vref本质上指的是AGPIO3-8这6个GPIO，对应GPIO23~28。

具有以下特性：

• 在低功耗模式pm.WORK_MODE,1和PSM+模式pm.WORK_MODE,3下，可以保持固定高电平输出。
• 输出电流能力有限：单个AGPIO最大输出电流仅5mA，且这6个GPIO的总输出电流也不超过5mA。因此，它不能驱动大功率负载，只能用于微功耗的参考电压或上拉用途。

在模组的实际应用中，一般默认固定推荐PIN99:GPIO23作为Vref使用 ——当然其它5个管脚GPIO24-28，如果软件设置为一直输出高，也可以作为Vref使用；GPIO23当然也是一个普通的AGPIO，如果不做Vref，本身与GPIO24-28没有任何区别。

四、Vref的应用场景

Vref适用于需要低功耗且稳定参考电压的场景，下面介绍几个应用案例。

4.1 UART1电平转换电路的上拉电源

• 解决VDD_EXT间歇性输出导致的误唤醒问题
• GPIO23提供稳定高电平，确保休眠期间UART1可靠工作

4.2 SIM卡插入检测

在SIM卡热插拔检测电路中，常用Vref给USIM_DET（WAKEUP2）提供上拉。

说明：图中的VREF_VOLIT就是Vref，在不同的原理图中可能存在不同的命名，请理解。

4.3 通信定位二合一模组中的备用供电

• 在Air780EGP、Air780EGG、Air780EGH、Air8000G等型号中，Vref用来作为内置GNSS定位芯片的备用供电电源使用。
• 在Air780EGP/EGG中：
  也作为加速度传感器G-Sensor的供电电源使用。
  这两处的耗电都非常小，100uA以内，可以满足。

4.4 特别说明

再次强调一下，当前模组、开发板、核心板或对外资料中，都是拿PIN99:GPIO23作为Vref使用的，但并不妨碍GPIO24-28也可以作为Vref，也并不妨碍PIN99作为GPIO23使用。

需要特别指出的是：

如果你的硬件需要在休眠状态下(低功耗模式pm.WORK_MODE,1 和 PSM+模式pm.WORK_MODE,3)也可以稳定输出的电源，请根据需要选择外置的DCDC或者LDO。

VDD_EXT在休眠状态下不可以稳定输出；Vref压根就不是“电源”，请特别注意！

五、Vref的使用方法

使用Vref功能的顺序是，先将PIN99配置为GPIO23，再将GPIO23设置为输出高。

需要提醒的是：GPIO23作为Vref使用时会增加系统功耗，通常会增加100uA+，一般不超过200uA，请根据自己应用的定义和需要谨慎设计。

5.1 将PIN99配置为GPIO23

通过LuatIO工具进行配置，新朋友可参考资料中心LuatIO使用教程

5.2 配置GPIO23输出高点平

1--
设置gpio23为输出，且初始化电平为高
2 gpio.setup(23, 1);

六、模组的出厂默认设置

各型号模组对Vref（GPIO23）的处理有所不同，使用时需注意：

6.1 Air8000系列模组

带Wi-Fi功能的型号（比如Air8000A、Air8000W），GPIO23用于控制Wi-Fi功能使能。

如果需要将Wi-Fi芯片关闭以节省功耗：可以使用pm.power(pm.WIFI, 0)关闭。

pm.power(pm.WIFI, 0)本质上是控制GPIO23输出低。

6.2 Air780Exx系列模组

带GNSS定位的型号——比如Air780EGH、Air780EGG、Air780EGP，GPIO23模组内部皆有使用，默认输出高。

外部需要更改其状态时，需注意如下事项：

• Air780EGP和Air780EGG这两个型号，内置G-Sensor后，必然会暂用系统的资源，比如G-Sensor的供电控制，比如G-Sensor判断振动后的中断输入，比如I2C1的占用等；
• 对于Air780EGP和Air780EGG这两个型号，I2C1内部挂载了G-Sensor，如果还需要在模组外部挂载其它外设时，比如摄像头，此时务必要保持GPIO23为默认的输出高状态，不可将GPIO23改为输出低的状态，否则会影响该I2C1总线的正常初始化；
• 另外，Air780EGH内部用于GNSS芯片的后备供电，以便星历保持，在需要时热启动；Air780EGP和Air780EGG除给GNSS芯片后备供电外，还给G-Sensor供电；将GPIO23设置为输入可以进一步降低功耗，代价是关闭了G-Sensor震动唤醒和GNSS备电不再支持热启动两个功能，大家根据自己的实际场景进行选择和设置。

以下是Air780EGP/Air780EGG两款模组中内部占用的信号管脚，以及对应的详细说明：

6.3 其他型号

其它型号GPIO23没做处理，也没有根据是否启用SIM2做GPIO23强制输出高的设置，需要自己手动设置。

审核编辑 黄宇