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SARA5 — PCB Custom Modem NB-IoT

PCB custom intégrant le module u-blox SARA-R500S-01B pour des capteurs connectés en NB-IoT.

Design : EasyEDA — AirCarto / AtmoSud — pvuarambon Version : LTE module V4 (anciennement V4 avec SARA-R410M, maintenant R500S-01B)

PCB Layout 2D PCB Rendu 3D

Module principal

Paramètre Valeur
Module u-blox SARA-R500S-01B
Technologie LTE Cat NB1 / NB2 (NB-IoT)
Bandes B1, B2, B3, B4, B5, B8, B12, B13, B17, B18, B19, B20, B25, B26, B28, B66, B70, B71, B85
Alimentation 3.0V – 4.35V (typ. 3.8V)
Package LGA, 16.0 x 26.0 x 2.3 mm
Interface UART, GPIO, SPI, I2C, USB
SIM Nano SIM (4FF)
Température -40°C à +85°C

Structure du projet

sara5/
├── README.md                  # Ce fichier
├── hardware/
│   ├── bom/                   # Bill of Materials (BOM)
│   ├── schematics/            # Schémas électriques
│   └── pcb/                   # Fichiers PCB / Gerber
├── docs/
│   └── images/                # Images, captures schémas
└── datasheets/                # Datasheets composants clés

BOM (Bill of Materials)

Source : hardware/bom/BOM_NBIOT_2026-03-15.csv — 21 composants, 32 pièces au total

Module modem

Ref Composant Package Qty Fabricant Fournisseur
SARA-R500S SARA-R500S-01B LGA (même footprint que R410M) 1 u-blox Mouser

Note : la BOM d'origine référence le SARA-R410M-02B (version précédente). Le design actuel utilise le SARA-R500S-01B, compatible pin-to-pin.

Alimentation

Ref Composant Valeur Package Qty Fabricant
U1 AP7361C-33FGE-7 LDO 3.3V DFN-8 1 Diodes Inc.

Level shifter

Ref Composant Valeur Package Qty Fabricant
U3 TXB0104PWR 4-bit bidirectionnel TSSOP-14 1 Texas Instruments

Capacités

Ref Valeur Package Qty Fabricant
C1, C2, C3, C4 47pF C0603 4 YAGEO
C5, C11, C14 100nF C0603 3 YAGEO
C6, C7 4.7uF C0603 2 Samsung
C8, C12 15pF C0402 2 YAGEO
C9 68pF C0603 1 YAGEO
C10 10nF C0402 1 YAGEO
C13 33pF C0402 1 YAGEO

Résistances

Ref Valeur Package Qty Fabricant
R1, R3 1K R0603 2 ResistorToday
R2 10K R0603 1 UNI-ROYAL

Inductance / RF

Ref Composant Valeur Package Qty Description
L1 SDCL1005C39NJTDF 39nH L0402 1 Inductance réseau adaptation RF
RF2 HC-RF-IPEX0303-01 — IPEX SMD 1 Connecteur IPEX antenne

Protection ESD

Ref Composant Package Qty Fabricant
D1, D2, D3, D4 PESD0402-140 D0402 4 Littelfuse

Connecteurs

Ref Composant Package Qty Description
CARD1 SMN-305 SIM SMD 1 Connecteur nano SIM
ESP32 B6B-XH-A(LF)(SN) JST XH 6P 1 Connecteur vers ESP32 (UART/I2C)
REF 54102-T0600LF Header 2P 2.54mm 1 Connecteur référence (Amphenol)

Transistor

Ref Composant Package Qty Fabricant
Q1 MMBT2222ALT1G SOT-23-3 1 onsemi

LEDs

Ref Composant Package Qty Description
NET NCD0603B1 LED 0603 1 LED status réseau (bleue)
ON NCD0603R1 LED 0603 RED 1 LED power ON (rouge)

Schéma électrique

Source : hardware/schematics/Schematic_NBIOT_2026-03-15.pdf Design : EasyEDA — AirCartoSAS / AtmoSud — pvuarambon

Architecture globale

                          +5V (depuis ESP32)
                              │
                         ┌────┴────┐
                         │  U1     │
                         │ AP7361C │
                         │ LDO 3V3 │
                         └────┬────┘
                              │ 3V3
              ┌───────────────┼───────────────────┐
              │               │                   │
         ┌────┴────┐    ┌─────┴─────┐       ┌─────┴─────┐
         │  U3     │    │  SARA     │       │  SIM      │
         │TXB0104  │    │ R500S-01B │       │  SMN-305  │
         │Level    │◄──►│           │──────►│  + ESD    │
         │Shifter  │1.8V│           │       │  (D1-D4)  │
         └────┬────┘    │      ANT──┼──►RF  └───────────┘
              │         └───────────┘    │
    ┌─────────┴──┐                 ┌────┴────┐
    │ ESP32      │                 │ Réseau  │
    │ JST XH 6P  │                 │ adapt.  │
    │            │                 │L1+C12+C13│
    │ GND       1│                 └────┬────┘
    │ +5V       2│                      │
    │ TX_esp    3│                 ┌────┴────┐
    │ RX_esp    4│                 │  RF2    │
    │ sara_on   5│                 │  IPEX   │
    │ sara_reset 6│                 └─────────┘
    └────────────┘

Blocs fonctionnels détaillés

1. Alimentation (+5V → 3V3)

  • Entrée : +5V depuis le connecteur ESP32 (pin 2)
  • LDO : AP7361C-33FGE-7 (U1) — sortie 3.3V fixe, 1A max
  • Découplage entrée : C7 (4.7uF)
  • Découplage sortie : C6 (4.7uF)
  • La sortie 3V3 alimente le côté VCCA du level shifter et les LEDs

2. Level shifting (3.3V ↔ 1.8V)

  • IC : TXB0104PWR (U3) — 4 canaux bidirectionnels
  • VCCA = 3.3V (côté ESP32)
  • VCCB = 1.8V (V_INT du SARA — tension interne régulée du module)
  • Découplage : C11 (100nF) sur VCCB
  • Signaux traduits :
    • B1 ↔ A1 : TX_esp → TXD (SARA pin 12)
    • B2 ↔ A2 : RX_esp ← RXD (SARA pin 13)
    • B3 ↔ A3 : sara_on → PWR_ON (SARA pin 15)
    • B4 ↔ A4 : sara_reset → RESET_N (SARA pin 18)

3. Interface ESP32 (connecteur JST XH 6P)

Pin Signal Direction Description
1 GND — Masse commune
2 +5V IN Alimentation 5V
3 TX_esp ESP32 → SARA UART TX (via level shifter)
4 RX_esp SARA → ESP32 UART RX (via level shifter)
5 sara_on ESP32 → SARA Commande PWR_ON
6 sara_reset ESP32 → SARA Commande RESET_N

4. Section RF / Antenne

  • Sortie ANT : SARA pin 56
  • Réseau d'adaptation : L1 (39nH) série + C13 (33pF) shunt + C12 (15pF) shunt
  • Connecteur : RF2 — IPEX (U.FL compatible)
  • Découplage RF : C8 (15pF), C9 (68pF), C10 (10nF) sur le chemin VCC/ANT

5. Interface SIM

  • Connecteur : CARD1 — SMN-305 (nano SIM)
  • Signaux : SIM_CLK (pin 38), SIM_IO (pin 39), SIM_RST (pin 40), VSIM (pin 41)
  • Protection ESD : 4x PESD0402-140 (D1-D4) sur chaque ligne SIM
  • Découplage : C1-C4 (47pF) sur les lignes SIM, C14 (100nF) sur VSIM

6. LED réseau (NET)

  • Signal : GPIO1 (SARA pin 16) → net led_net
  • Circuit : led_net → R2 (10K) → base Q1 (MMBT2222A) → R1 (1K) → LED bleue → 3V3
  • Le transistor NPN amplifie le signal 1.8V du GPIO pour piloter la LED en 3.3V
  • Indique l'état de connexion réseau (clignotement géré par le SARA)

7. LED power (ON)

  • Circuit : 3V3 → R3 (1K) → LED rouge → GND
  • Allumée dès que le 3.3V est présent (indication visuelle d'alimentation)

8. Connecteur REF

  • Header 2 pins 2.54mm (54102-T0600LF) — connecteur de référence/debug

PCB Layout

Version : LTE module V4 — PCB 2 couches — 4 trous de fixation

Placement des composants

┌──────────────────────────────────────────────┐
│  C11  U3(TXB0104)  V_INT TX RX              │
│ ○                          ○  AirCarto       │
│ RST ┌─────────┐               LTE module V4  │
│ ON  │  ESP32  │  ┌──────────────────┐        │
│ RX  │  JST XH │  │                  │  L1    │
│ TX  │  6 pins │  │  SARA-R500S-01B  │ C12 C13│──RF2
│ 5V  │         │  │                  │        │  IPEX
│ GND └─────────┘  └──────────────────┘        │
│ ○                                          ○ │
│ REF  C6 U1 R2 Q1  C5                        │
│          LDO       ┌──────────┐    D1 D2     │
│      NET  R1       │  CARD1   │    D3 D4     │
│  C8  ON  R3        │  SIM     │    ESD       │
│  C7  C9  C10       └──────────┘              │
│ ○        C14  C1 C2 C3 C4                  ○ │
└──────────────────────────────────────────────┘

Observations layout

  • SARA centré, occupant ~40% de la surface — ground pad massif dessous
  • Chemin RF en ligne droite : SARA ANT → L1 → C12/C13 → RF2 (IPEX) sur le bord droit — traces courtes
  • Level shifter U3 en haut à gauche, positionné entre le connecteur ESP32 et le SARA pour minimiser les longueurs de traces
  • Section alimentation (U1 + découplages) en bas à gauche
  • SIM en bas centre avec les ESD (D1-D4) à proximité immédiate
  • Connecteur ESP32 sur le bord gauche, sérigraphie avec pinout (GND, 5V, TX, RX, ON, RST)
  • LEDs (NET bleue + ON rouge) visibles en bas à gauche
  • 4 trous de fixation aux coins pour montage en boîtier

Notes de design

  • Le SARA-R500S-01B nécessite des pics de courant jusqu'à ~1.2A en transmission → le LDO AP7361C (1A max) peut être limite, vérifier le budget courant
  • Le V_INT (1.8V) du SARA alimente le côté VCCB du level shifter — pas besoin de régulateur 1.8V externe
  • Ligne RF : impédance 50Ω, réseau d'adaptation LC en pi, traces courtes en bord de PCB
  • Plan de masse continu sous le module recommandé par u-blox
  • 4 diodes ESD Littelfuse sur toutes les lignes SIM (bonne pratique u-blox)
  • C5 (100nF) découplage général sur VCC du SARA
  • Sérigraphie claire avec labels sur chaque signal du connecteur ESP32

Fabrication & Assemblage

Contexte

Ce PCB est actuellement assemblé à la main (stencil + placement manuel + plaque chauffante). Pour un passage en petite série (50 pcs), l'assemblage est sous-traité à un EMS.

Le module SARA-R500S-01B est sourcé séparément chez Digikey/Mouser (non disponible chez LCSC/JLCPCB).

Fichiers de fabrication

Document Emplacement Format
Schéma électrique hardware/schematics/Schematic_NBIOT_2026-03-15.pdf PDF
BOM hardware/bom/BOM_NBIOT_2026-03-15.csv CSV (export EasyEDA)
Gerber hardware/pcb/Gerber_NBIOT_PCB_NBIOT_2026-03-08.zip ZIP
Pick and Place hardware/pcb/PickAndPlace_PCB_NBIOT_2026-03-08.csv CSV
PCB layout (vue 2D) docs/images/pcb_layout_2d_top.png PNG
PCB rendu 3D docs/images/pcb_render_3d.png PNG

Équivalences composants (distributeurs occidentaux)

La BOM d'origine utilise des références LCSC (distributeur chinois). Le tableau ci-dessous fournit les équivalents disponibles chez Mouser, Digikey et Farnell pour les composants non disponibles via les distributeurs habituels.

Ref Fonction Original (LCSC) Équivalent occidental Fabricant Ref Digikey Notes
CARD1 Connecteur nano SIM SMN-305 (XUNPU) 693043020611 Wurth Elektronik 732-5954-1-ND Push-pull nano SIM — footprint à vérifier, le SMN-305 est flip-type
NET LED bleue 0603 NCD0603B1 LTST-C191TBKT Lite-On 160-1643-1-ND Drop-in, même footprint 0603
ON LED rouge 0603 NCD0603R1 LTST-C191KRKT Lite-On 160-1447-1-ND Drop-in, même footprint 0603
L1 Inductance 39nH 0402 SDCL1005C39NJTDF (Sunlord) LQG15HS39NJ02D Murata 490-4025-1-ND Multilayer, même tolérance 5%, vérifier SRF pour le réseau RF
R1, R3 Résistance 1K 0603 PTFR0603B1K00P9 RC0603FR-071KL Yageo 311-1.00KHRCT-ND 1% thick film, suffisant pour current limiting LED
RF2 Connecteur IPEX/U.FL HC-RF-IPEX0303-01 (HCTL) U.FL-R-SMT-1(10) Hirose H9161CT-ND L'original Hirose, le HC-RF est un clone compatible
U3 Level shifter 4-bit TXB0104PWR TXB0104PWRG4 Texas Instruments 296-21929-1-ND Même puce, suffixe G4 = variante RoHS, en stock

Composants sans problème de sourcing

Ces composants sont des références standards disponibles partout (Mouser, Digikey, Farnell) :

Ref Composant Référence fabricant Fabricant
SARA-R500S Module NB-IoT SARA-R500S-01B u-blox
U1 LDO 3.3V AP7361C-33FGE-7 Diodes Inc.
D1-D4 ESD protection PESD0402-140 Littelfuse
Q1 Transistor NPN MMBT2222ALT1G onsemi
C1-C14 Capacités (47pF, 100nF, 4.7uF, 15pF, 68pF, 10nF, 33pF) Séries YAGEO CC / Samsung CL YAGEO, Samsung
R2 Résistance 10K 0603 0603WAF1002T5E UNI-ROYAL
ESP32 Connecteur JST XH 6P B6B-XH-A(LF)(SN) JST
REF Header 2P 2.54mm 54102-T0600LF Amphenol ICC

Point d'attention : connecteur SIM (CARD1)

Le connecteur SIM original SMN-305 (XUNPU) est un modèle flip-type spécifique au marché chinois. L'équivalent Wurth proposé (693043020611) est un push-pull qui a un footprint différent. Options :

  1. Adapter le PCB au footprint Wurth (modification EasyEDA nécessaire)
  2. L'EMS source un connecteur nano SIM flip-type compatible avec le footprint existant
  3. Fournir les SMN-305 directement à l'EMS (commande LCSC, ~0.25€/pièce)

About

Infos concernant le PCB du modem NBIOT

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