用于翻盖手机的端口扩展器可节省成本和空间

本文讨论了最新设计的端口扩展器中可用的功能，这些功能与空间有限、成本敏感的翻盖手机的设计特别相关。MAX6966和MAX6965驱动器说明了笔记中讨论的GPIO端口扩展器技术。

介绍

通用输入输出 （GPIO） 端口扩展器的目标一直是在小型低成本 IC 中提供适量的 I/O 端口。提供 8 或 16 个端口的部件几乎与它们所连接的 I²C 和 SPI 串行总线一样长。这些早期器件提供的特性包括具有有限驱动电流的简单漏极开路或推挽输出，以及具有非锁存转换检测的逻辑输入。最小的可用封装是TSSOP封装。

本应用笔记讨论了最新设计的端口扩展器中可用的特性，这些功能与空间有限、成本敏感的翻盖手机的设计特别相关。

翻盖手机互连问题

翻盖手机的外壳包括两半，像翻盖一样折叠在一起（图1）。基带和无线电电路与键盘、电池和天线一起位于主要部分，通常是较厚的一半。如图所示，紧凑型手机的常见布局在翻盖的内侧放置一个大显示屏，在外部放置一个较小的显示屏。外部显示屏通常是半反射式LCD，无需背光即可读取，始终运行以显示手机空闲时间和其他状态信息。翻转外壳可容纳电话听筒，在某些情况下还可以容纳其他音频和铃声电路。许多设计还包括翻盖中的摄像头模块。

图1.柔性电路连接两半手机。然而，翻盖手机的铰链是一个互连瓶颈。

在大多数翻转机柜中，显示器和相机包括单独的、中等速度（MB/秒）的并行接口总线，用于更新显示器和下载相机图片。然而，通过铰链将数据从翻转传递到主体会产生瓶颈。该铰链连接通常是由带有铜迹线的聚酯薄膜®制成的柔性电路。因此，为了确保重复弯曲后的电路可靠，必须限制走线密度（以及因此的走线数量）。为了加剧这个问题，手机设计师总是被迫减少翻盖和主体之间的连接数量。

GPIO端口扩展器在翻盖手机中的优势

通常，翻盖手机设计应最大限度地减少将翻盖连接到主体的柔性电路（flexi）上的铜迹线数量。行业趋势是将高速并行连接到翻盖显示器和相机串行化。减少其他连接的一种简单方法是识别可以直接在翻转上合成的信号和控制，而不是通过柔性导入。小型低成本端口扩展器可以控制逻辑输入信号、输出、LED 驱动器或电源控制开关。端口扩展器通过I²C或SPI接口连接到主板，该接口可能已在翻转上提供。

端口扩展器也是低功耗设备。为了在手机架构中发挥作用，端口扩展器必须：

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

具有标准串行协议接口，如I²C或SPI。

中断驱动以避免浪费电源的 CPU 轮询。

无需CPU干预即可运行主要功能（PWM，输入监控）。

工作在 1.8V 至 3V 的低电源电压，最终低于 1V。

吸收 1μA 范围内的电源电流。

发光二极管驱动

手机中的 LED 用于显示和键盘背光（2 到 6 个 LED）、功能和状态指示灯、RGB 趣味灯以及电池和信号强度指示灯。端口扩展器可节省空间和功耗，同时以多种方式减少系统内不必要的交互：单个 LED 的 PWM 强度控制;高电压和高电流驱动，无需占用空间的分立晶体管;以及直接从电池驱动的 LED 驱动器，可节省电荷泵或电感式升压电源的成本和 EMI。

漏极开路端口提供高电流驱动

漏极开路输出端口可轻松驱动 LED。该端口用作接地的硬输出开关，串联电阻器（通常称为镇流电阻器）设置 LED 电流。适用于驱动 LED 的端口扩展器具有额定电压高于电源电压的大电流端口，以及用于调节 LED 亮度的脉宽调制 （PWM）。例如，MAX6965 LED驱动器为9路输出器件，具有强度控制和热插入保护功能，采用3mm x 3mm QFN封装。它提供 7 个额定 50V 的漏极开路 GPIO，具有 <>mA 吸电流能力和独立的输出 PWM 控制。

恒流端口直接从电池驱动 LED

更好的LED驱动方法是恒流灌电流，它取代了更传统的硬输出开关和限流镇流电阻。恒流 LED 驱动器具有两个关键优势：

LED 电流与 LED 正向电压或 LED 电源电压的变化无关。

LED电源电压可以更低（更接近LED正向电压），从而提高效率。

恒流驱动器允许较低的LED电源电压，因为镇流电阻两端的电压必须足够高，以抵消LED电源电压和正向压降的变化。例如，考虑由 5V ±5% 电源驱动的白光 LED，正向电压指定为 3.1V ±0.25V。镇流电阻两端的电压标称值为1.9V，变化范围为1.4V至2.4V。因此，电流的最坏情况变化为±26%。如果电源电压降至4V ±3%，镇流器电阻电压标称电压为0.9V，变化范围为0.53V至1.27V。最坏情况下的电流变化现在为±41%，尽管对电源的容差更严格。

恒流驱动器，如MAX6966（10端口LED驱动器和I/O扩展器，带PWM强度控制）可以正确调节其恒流输出，前提是端口输出端的压降高于规定的最小值（图2）。端口的输出电压是负载电源电压（通常用于 LED）和负载两端电压（LED 正向电压）之间的差值。如果LED电源的压降导致端口输出电压降至最小值以下，则结果是驱动器输出级的掉电，从而导致负载电流下降。MAX6966的最小端口电压为0.5V/10mA灌电流，1V/20mA灌电流。

图2.MAX6966 GPIO IC包含LED驱动器和逻辑I/O。

直接由手机电池操作 LED，可节省升压转换器的空间和成本。因此，典型的LED电源是可充电锂电池，充电时最大端电压为4.2V，大部分时间为3.4V至3.7V，放电时约为3V。当电池接近其使用寿命时，LED 电源将大大低于掉电点。

图3显示了当LED电源电压在3.170V至2V范围内变化时，5V蓝色LED（LITEON LTST-C7TBKT）吸收的典型电流。所示的LED电流由编程为10mA和20mA恒定电流的端口驱动，并扫描2.5V至7V的电源电压范围。您可以看到 LED 正向电压随电流下降，使掉电的 LED 电流平稳下降，而不是突然下降。对于 6V 的 LED 电源电压，LED 电流降至 7mA 或 3mA，这对于电池使用寿命结束时的许多背光应用来说是可接受的性能。

图3.MAX6966恒流输出直接从手机电池驱动白光LED。

平滑 LED 电流需求

传统的 LED PWM 控制对所有 PWM 输出应用相同的 PWM 周期;所有输出同时接通（图4）。因此，对于给定的PWM设置，LED驱动器输出在完全相同的时间内消耗负载电流。例如，如果所有输出都设置为50：50占空比，则一半的时间电流消耗为零（所有负载关闭），另一半时间为满量程（所有负载打开）。

图4.传统的PWM使所有端口输出同时切换。

恒流LED驱动器MAX6966将端口输出的PWM时序错开1/8，在整个PWM周期内分配端口输出开关点。千PWM 周期的增量（图 5）。交错通过降低电源的di/dt输出开关瞬变来降低峰值/平均电流要求。它还降低了EMI，并允许电源中的PCB走线更窄。

图5.MAX6966通过错开PWM启动时间来平缓电流需求。

自动执行 LED 淡入淡出效果

MAX6966提供自动控制，可逐步降低电流输出以实现自动关断（斜坡下降），然后从关断状态再次斜坡上升，无需进一步交互（图6和图7）。斜坡下降包括一个可编程的延迟延迟，该延迟在编程的淡出间隔之前将输出保持在全电流状态一段时间，在此期间电流输出斜坡下降。

图6.MAX6966可自动调节LED强度斜坡下降、延断和衰减。

图7.MAX6966可通过硬件触发来控制LED强度上升的速率，从而留出时间断开不需要的外设。

关断时，MAX6966可通过CS输入端的短脉冲激活。该硬件唤醒允许电源管理控制器或等效ASIC以预配置的LED强度设置使能MAX6966。当关断状态出来时，LED 输出可以自动斜坡上升到其编程电流（图 7）。这种设计方法消除了系统处理器的困难时间管理问题;它还允许系统进入待机模式，而LED驱动器自行执行定时功能。

由于许多 GPIO 器件提供高水平的拉电流和灌电流，这些器件可以通过直接通电来打开和关闭许多外设。从这种认识中可以学到一些应用技巧：

尽可能控制外设的GND引脚，而不是正电源引脚。可轻松接地开关的负载包括振动电机、LED 和许多 IrDA 接口模块。接地开关是首选，因为通常可以使用大电流、漏极开路端口。

使用推挽式GPIO（MAX7310、MAX7312、MAX7320）控制需要较少电源电流的外设的正电源引脚。这种方法通常用于关断 IC。

使用外部 PFET 扩展推挽式 GPIO 的高边电流驱动。只需将PFET栅极连接到推挽端口输出，将其源极连接到正电源，将其漏极连接到负载。请注意，控制逻辑现在反转：端口输出端的逻辑为低电平，打开PFET。

漏极开路端口可以并联以实现更高电流的驱动。

通过同时打开和关闭来确保端口共享负载。

端口扩展器 — 可进行电平转换的简单 I/O

GPIO还有另一个重要属性：它们将输入和输出转换为更高或更低的电压。下面列出了其中一些有用的电平转换可能性：

输入端口通常可以承受高于 GPIO 工作电源电压的电压。例如，此功能允许 GPIO 在方便的低电源电压下工作，同时在较高电压下监控逻辑输入。

无论GPIO的工作电源电压如何，I²C接口都能承受高达5.5V的过压。因此，带有端接至3.3V的上拉电阻的I²C总线可以与工作在2.5V或1.8V的GPIO通信。

漏极开路I/O通常允许过压达到与GPIO工作电源电压无关的水平。例如，MAX6964/MAX6965和MAX7313-MAX7316系列的I/O端口可承受5.5V或7V的过压。因此，使用从端口到所需电源轨的上拉电阻，任何端口都可以产生高达该限值的逻辑摆幅。

漏极开路I/O和I²C接口通常是可热插拔的，这意味着当GPIO的工作电源电压断开时，这些连接可以承受施加的电压，而不会消耗寄生电流。热插拔功能在连接到可独立于手机供电的配件时非常有用。也就是说，手机和配件可以按任一顺序应用其电源。

上电时推挽式I/O端口的默认逻辑电平可通过一个高阻值上拉电阻（~1MΩ）设置至电源电压，或一个下拉电阻设置为地。I/O端口在上电时默认为高阻抗输入，因此电阻器设置初始逻辑电平，直到通过其串行接口对GPIO进行编程。

端口扩展：自动输入监控

如前所述，外设应由事件中断驱动，以节省 CPU 轮询。对于监视不常见事件（例如手机中的翻转关闭开关或电源故障警告）的 GPIO 输入尤其如此。许多 GPIO 包括转换检测电路，用于监视所有逻辑输入，并在任何输入更改状态时生成中断。MAX7319为I²C端口扩展器，具有<>个漏极开路I/O，扩展了传统的转换检测，如下所述：

中断输出/INT被锁存，瞬态变化导致中断置位，直到MAX7319被读取。

更改标志寄存器用于标识自上次读取MAX7319以来发生的任何端口，即使这些端口是由于瞬变引起的。

中断掩码寄存器仅允许特定输入端口在更改时触发中断。

当端口的输入更改时，将设置每个端口的更改标志;即使输入返回到其原始状态，该标志仍保持设置状态。每个端口的中断掩码确定该输入端口上的更改是否会导致中断。当必须快速处理对输入更改的响应时，您可以使用中断掩码选择要启用中断的最小优先级输入集。可以轮询不太重要的输入。更改标志始终显示自上次检查以来这些输入上是否发生了永久性或暂时性更改。

审核编辑：郭婷