用于翻蓋手機的端口擴展器可節省成本和空間

本文討論了最新設計的端口擴展器中可用的功能，這些功能與空間有限、成本敏感的翻蓋手機的設計特別相關。MAX6966和MAX6965驅動器說明了筆記中討論的GPIO端口擴展器技術。

介紹

通用輸入輸出 （GPIO） 端口擴展器的目標一直是在小型低成本 IC 中提供適量的 I/O 端口。提供 8 或 16 個端口的部件幾乎與它們所連接的 I2C 和 SPI 串行總線一樣長。這些早期器件提供的特性包括具有有限驅動電流的簡單漏極開路或推挽輸出，以及具有非鎖存轉換檢測的邏輯輸入。最小的可用封裝是TSSOP封裝。

本應用筆記討論了最新設計的端口擴展器中可用的特性，這些功能與空間有限、成本敏感的翻蓋手機的設計特別相關。

翻蓋手機互連問題

翻蓋手機的外殼包括兩半，像翻蓋一樣折疊在一起（圖1）?；鶐Ш蜔o線電電路與鍵盤、電池和天線一起位于主要部分，通常是較厚的一半。如圖所示，緊湊型手機的常見布局在翻蓋的內側放置一個大顯示屏，在外部放置一個較小的顯示屏。外部顯示屏通常是半反射式LCD，無需背光即可讀取，始終運行以顯示手機空閑時間和其他狀態信息。翻轉外殼可容納電話聽筒，在某些情況下還可以容納其他音頻和鈴聲電路。許多設計還包括翻蓋中的攝像頭模塊。

圖1.柔性電路連接兩半手機。然而，翻蓋手機的鉸鏈是一個互連瓶頸。

在大多數翻轉機柜中，顯示器和相機包括單獨的、中等速度（MB/秒）的并行接口總線，用于更新顯示器和下載相機圖片。然而，通過鉸鏈將數據從翻轉傳遞到主體會產生瓶頸。該鉸鏈連接通常是由帶有銅跡線的聚酯薄膜?制成的柔性電路。因此，為了確保重復彎曲后的電路可靠，必須限制走線密度（以及因此的走線數量）。為了加劇這個問題，手機設計師總是被迫減少翻蓋和主體之間的連接數量。

GPIO端口擴展器在翻蓋手機中的優勢

通常，翻蓋手機設計應最大限度地減少將翻蓋連接到主體的柔性電路（flexi）上的銅跡線數量。行業趨勢是將高速并行連接到翻蓋顯示器和相機串行化。減少其他連接的一種簡單方法是識別可以直接在翻轉上合成的信號和控制，而不是通過柔性導入。小型低成本端口擴展器可以控制邏輯輸入信號、輸出、LED 驅動器或電源控制開關。端口擴展器通過I2C或SPI接口連接到主板，該接口可能已在翻轉上提供。

端口擴展器也是低功耗設備。為了在手機架構中發揮作用，端口擴展器必須：

具有物理尺寸較小的封裝（2mm x 2mm 或 3mm x 3mm 薄 QFN），以便放置在任何需要的地方。

具有標準串行協議接口，如I2C或SPI。

中斷驅動以避免浪費電源的 CPU 輪詢。

無需CPU干預即可運行主要功能（PWM，輸入監控）。

工作在 1.8V 至 3V 的低電源電壓，最終低于 1V。

吸收 1μA 范圍內的電源電流。

發光二極管驅動

手機中的 LED 用于顯示和鍵盤背光（2 到 6 個 LED）、功能和狀態指示燈、RGB 趣味燈以及電池和信號強度指示燈。端口擴展器可節省空間和功耗，同時以多種方式減少系統內不必要的交互：單個 LED 的 PWM 強度控制;高電壓和高電流驅動，無需占用空間的分立晶體管;以及直接從電池驅動的 LED 驅動器，可節省電荷泵或電感式升壓電源的成本和 EMI。

漏極開路端口提供高電流驅動

漏極開路輸出端口可輕松驅動 LED。該端口用作接地的硬輸出開關，串聯電阻器（通常稱為鎮流電阻器）設置 LED 電流。適用于驅動 LED 的端口擴展器具有額定電壓高于電源電壓的大電流端口，以及用于調節 LED 亮度的脈寬調制 （PWM）。例如，MAX6965 LED驅動器為9路輸出器件，具有強度控制和熱插入保護功能，采用3mm x 3mm QFN封裝。它提供 7 個額定 50V 的漏極開路 GPIO，具有 <>mA 吸電流能力和獨立的輸出 PWM 控制。

恒流端口直接從電池驅動 LED

更好的LED驅動方法是恒流灌電流，它取代了更傳統的硬輸出開關和限流鎮流電阻。恒流 LED 驅動器具有兩個關鍵優勢：

LED 電流與 LED 正向電壓或 LED 電源電壓的變化無關。

LED電源電壓可以更低（更接近LED正向電壓），從而提高效率。

恒流驅動器允許較低的LED電源電壓，因為鎮流電阻兩端的電壓必須足夠高，以抵消LED電源電壓和正向壓降的變化。例如，考慮由 5V ±5% 電源驅動的白光 LED，正向電壓指定為 3.1V ±0.25V。鎮流電阻兩端的電壓標稱值為1.9V，變化范圍為1.4V至2.4V。因此，電流的最壞情況變化為±26%。如果電源電壓降至4V ±3%，鎮流器電阻電壓標稱電壓為0.9V，變化范圍為0.53V至1.27V。最壞情況下的電流變化現在為±41%，盡管對電源的容差更嚴格。

恒流驅動器，如MAX6966（10端口LED驅動器和I/O擴展器，帶PWM強度控制）可以正確調節其恒流輸出，前提是端口輸出端的壓降高于規定的最小值（圖2）。端口的輸出電壓是負載電源電壓（通常用于 LED）和負載兩端電壓（LED 正向電壓）之間的差值。如果LED電源的壓降導致端口輸出電壓降至最小值以下，則結果是驅動器輸出級的掉電，從而導致負載電流下降。MAX6966的最小端口電壓為0.5V/10mA灌電流，1V/20mA灌電流。

圖2.MAX6966 GPIO IC包含LED驅動器和邏輯I/O。

直接由手機電池操作 LED，可節省升壓轉換器的空間和成本。因此，典型的LED電源是可充電鋰電池，充電時最大端電壓為4.2V，大部分時間為3.4V至3.7V，放電時約為3V。當電池接近其使用壽命時，LED 電源將大大低于掉電點。

圖3顯示了當LED電源電壓在3.170V至2V范圍內變化時，5V藍色LED（LITEON LTST-C7TBKT）吸收的典型電流。所示的LED電流由編程為10mA和20mA恒定電流的端口驅動，并掃描2.5V至7V的電源電壓范圍。您可以看到 LED 正向電壓隨電流下降，使掉電的 LED 電流平穩下降，而不是突然下降。對于 6V 的 LED 電源電壓，LED 電流降至 7mA 或 3mA，這對于電池使用壽命結束時的許多背光應用來說是可接受的性能。

圖3.MAX6966恒流輸出直接從手機電池驅動白光LED。

平滑 LED 電流需求

傳統的 LED PWM 控制對所有 PWM 輸出應用相同的 PWM 周期;所有輸出同時接通（圖4）。因此，對于給定的PWM設置，LED驅動器輸出在完全相同的時間內消耗負載電流。例如，如果所有輸出都設置為50：50占空比，則一半的時間電流消耗為零（所有負載關閉），另一半時間為滿量程（所有負載打開）。

圖4.傳統的PWM使所有端口輸出同時切換。

恒流LED驅動器MAX6966將端口輸出的PWM時序錯開1/8，在整個PWM周期內分配端口輸出開關點。千PWM 周期的增量（圖 5）。交錯通過降低電源的di/dt輸出開關瞬變來降低峰值/平均電流要求。它還降低了EMI，并允許電源中的PCB走線更窄。

圖5.MAX6966通過錯開PWM啟動時間來平緩電流需求。

自動執行 LED 淡入淡出效果

MAX6966提供自動控制，可逐步降低電流輸出以實現自動關斷（斜坡下降），然后從關斷狀態再次斜坡上升，無需進一步交互（圖6和圖7）。斜坡下降包括一個可編程的延遲延遲，該延遲在編程的淡出間隔之前將輸出保持在全電流狀態一段時間，在此期間電流輸出斜坡下降。

圖6.MAX6966可自動調節LED強度斜坡下降、延斷和衰減。

圖7.MAX6966可通過硬件觸發來控制LED強度上升的速率，從而留出時間斷開不需要的外設。

關斷時，MAX6966可通過CS輸入端的短脈沖激活。該硬件喚醒允許電源管理控制器或等效ASIC以預配置的LED強度設置使能MAX6966。當關斷狀態出來時，LED 輸出可以自動斜坡上升到其編程電流（圖 7）。這種設計方法消除了系統處理器的困難時間管理問題;它還允許系統進入待機模式，而LED驅動器自行執行定時功能。

由于許多 GPIO 器件提供高水平的拉電流和灌電流，這些器件可以通過直接通電來打開和關閉許多外設。從這種認識中可以學到一些應用技巧：

盡可能控制外設的GND引腳，而不是正電源引腳?？奢p松接地開關的負載包括振動電機、LED 和許多 IrDA 接口模塊。接地開關是首選，因為通?？梢允褂么箅娏?、漏極開路端口。

使用推挽式GPIO（MAX7310、MAX7312、MAX7320）控制需要較少電源電流的外設的正電源引腳。這種方法通常用于關斷 IC。

使用外部 PFET 擴展推挽式 GPIO 的高邊電流驅動。只需將PFET柵極連接到推挽端口輸出，將其源極連接到正電源，將其漏極連接到負載。請注意，控制邏輯現在反轉：端口輸出端的邏輯為低電平，打開PFET。

漏極開路端口可以并聯以實現更高電流的驅動。

通過同時打開和關閉來確保端口共享負載。

端口擴展器 — 可進行電平轉換的簡單 I/O

GPIO還有另一個重要屬性：它們將輸入和輸出轉換為更高或更低的電壓。下面列出了其中一些有用的電平轉換可能性：

輸入端口通?？梢猿惺芨哂?GPIO 工作電源電壓的電壓。例如，此功能允許 GPIO 在方便的低電源電壓下工作，同時在較高電壓下監控邏輯輸入。

無論GPIO的工作電源電壓如何，I2C接口都能承受高達5.5V的過壓。因此，帶有端接至3.3V的上拉電阻的I2C總線可以與工作在2.5V或1.8V的GPIO通信。

漏極開路I/O通常允許過壓達到與GPIO工作電源電壓無關的水平。例如，MAX6964/MAX6965和MAX7313-MAX7316系列的I/O端口可承受5.5V或7V的過壓。因此，使用從端口到所需電源軌的上拉電阻，任何端口都可以產生高達該限值的邏輯擺幅。

漏極開路I/O和I2C接口通常是可熱插拔的，這意味著當GPIO的工作電源電壓斷開時，這些連接可以承受施加的電壓，而不會消耗寄生電流。熱插拔功能在連接到可獨立于手機供電的配件時非常有用。也就是說，手機和配件可以按任一順序應用其電源。

上電時推挽式I/O端口的默認邏輯電平可通過一個高阻值上拉電阻（~1MΩ）設置至電源電壓，或一個下拉電阻設置為地。I/O端口在上電時默認為高阻抗輸入，因此電阻器設置初始邏輯電平，直到通過其串行接口對GPIO進行編程。

端口擴展：自動輸入監控

如前所述，外設應由事件中斷驅動，以節省 CPU 輪詢。對于監視不常見事件（例如手機中的翻轉關閉開關或電源故障警告）的 GPIO 輸入尤其如此。許多 GPIO 包括轉換檢測電路，用于監視所有邏輯輸入，并在任何輸入更改狀態時生成中斷。MAX7319為I2C端口擴展器，具有<>個漏極開路I/O，擴展了傳統的轉換檢測，如下所述：

中斷輸出/INT被鎖存，瞬態變化導致中斷置位，直到MAX7319被讀取。

更改標志寄存器用于標識自上次讀取MAX7319以來發生的任何端口，即使這些端口是由于瞬變引起的。

中斷掩碼寄存器僅允許特定輸入端口在更改時觸發中斷。

當端口的輸入更改時，將設置每個端口的更改標志;即使輸入返回到其原始狀態，該標志仍保持設置狀態。每個端口的中斷掩碼確定該輸入端口上的更改是否會導致中斷。當必須快速處理對輸入更改的響應時，您可以使用中斷掩碼選擇要啟用中斷的最小優先級輸入集?？梢暂喸儾惶匾妮斎?。更改標志始終顯示自上次檢查以來這些輸入上是否發生了永久性或暫時性更改。

審核編輯：郭婷