MAX6957：2.5V至5.5V，20端口和28端口LED顯示驅(qū)動(dòng)器及I/O擴(kuò)展器的深入解析

在電子設(shè)計(jì)中，顯示驅(qū)動(dòng)和I/O擴(kuò)展是常見的需求。今天，我將為大家詳細(xì)解析MAX6957這款芯片，它是一款4線接口、工作電壓范圍在2.5V至5.5V的20端口和28端口LED顯示驅(qū)動(dòng)器及I/O擴(kuò)展器，在多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。

文件下載：MAX6957.pdf

一、芯片概述

1.1 基本功能

MAX6957為微處理器提供了多達(dá)28個(gè)端口，每個(gè)端口都可由用戶單獨(dú)配置為邏輯輸入、邏輯輸出或者共陽(yáng)極（CA）LED恒流段驅(qū)動(dòng)器。作為L(zhǎng)ED段驅(qū)動(dòng)器時(shí)，每個(gè)端口就像一個(gè)數(shù)控恒流源，電流從1.5mA到24mA有16個(gè)均等的調(diào)節(jié)步長(zhǎng)，適用于分立LED以及CA數(shù)字和字母數(shù)字LED顯示屏。而作為通用輸入輸出（GPIO）端口時(shí)，它既可以是能夠吸入10mA電流和源出4.5mA電流的推挽邏輯輸出，也可以是帶有可選內(nèi)部上拉電阻的施密特邏輯輸入。此外，有7個(gè)端口具備可配置的狀態(tài)轉(zhuǎn)換檢測(cè)邏輯，當(dāng)端口邏輯電平發(fā)生變化時(shí)能夠產(chǎn)生中斷信號(hào)。

1.2 封裝形式

MAX6957有多種不同端口數(shù)量和封裝形式的版本可供選擇。其中，MAX6957AAX和MAX6957ATL具有28個(gè)端口，分別采用36引腳SSOP和40引腳TQFN（6mm x 6mm）封裝；MAX6957AAI和MAX6957ANI具有20個(gè)端口，分別采用28引腳SSOP和28引腳DIP封裝。這樣豐富的選擇能夠滿足不同設(shè)計(jì)的需求。

二、關(guān)鍵特性

2.1 接口與工作范圍

• 高速串行接口：具備26MHz的高速SPI/QSPI?/MICROWIRE?兼容串行接口，能夠?qū)崿F(xiàn)高效的數(shù)據(jù)傳輸。
• 寬電壓和溫度范圍：工作電壓范圍為2.5V至5.5V，工作溫度范圍從 -40°C到 +125°C，這使得它在不同的環(huán)境條件下都能穩(wěn)定工作。

2.2 端口配置靈活性

20或28個(gè)I/O端口可根據(jù)需要配置為恒流LED驅(qū)動(dòng)器、推挽邏輯輸出、施密特邏輯輸入或帶內(nèi)部上拉電阻的施密特邏輯輸入，大大提高了設(shè)計(jì)的靈活性。

2.3 低功耗與電流控制

• 低關(guān)機(jī)電流：關(guān)機(jī)電流最大僅為11μA，有助于降低系統(tǒng)功耗。
• 精細(xì)電流控制：每個(gè)LED都有16級(jí)可編程電流控制，能精確控制LED的亮度。

2.4 邏輯狀態(tài)檢測(cè)

7個(gè)I/O端口具備邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換檢測(cè)功能，可以及時(shí)檢測(cè)到端口邏輯電平的變化并產(chǎn)生中斷，方便系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的處理。

三、電氣特性

3.1 電壓與電流參數(shù)

MAX6957的電氣特性涵蓋了多個(gè)方面的參數(shù)。在電壓方面，工作電源電壓范圍為2.5V至5.5V；在電流方面，不同的工作模式下有不同的電源電流。例如，關(guān)機(jī)狀態(tài)下電源電流在不同溫度條件下有所不同，在 +25°C時(shí)典型值為5.5μA，在 -40°C到 +85°C時(shí)最大為10μA，在全溫度范圍內(nèi)最大為11μA。而在工作狀態(tài)下，不同的端口配置和負(fù)載情況也會(huì)導(dǎo)致電源電流的變化。

3.2 輸入輸出特性

在輸入輸出特性方面，邏輯高輸入電壓端口輸入為0.7 × V+，邏輯低輸入電壓端口輸入為0.3 × V+。輸入泄漏電流在沒有上拉電阻的GPIO輸入情況下，范圍在 -100nA到 +100nA之間。GPIO輸入內(nèi)部上拉到V+的電流也會(huì)隨著V+的變化而有所不同。

3.3 時(shí)序特性

芯片的時(shí)序特性對(duì)于數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸至關(guān)重要。例如，CLK時(shí)鐘周期最小為38.4ns，CLK脈沖寬度高和低分別為19ns，CS下降沿到SCLK上升沿的建立時(shí)間為9.5ns等。這些時(shí)序參數(shù)保證了芯片與其他設(shè)備之間的可靠通信。

四、詳細(xì)功能解析

4.1 端口配置

MAX6957的28個(gè)端口（P4至P31）可以通過端口配置寄存器進(jìn)行單獨(dú)配置，既可以作為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)器，也可以作為GPIO。在不同的封裝版本中，端口數(shù)量和使用方式可能會(huì)有所不同。對(duì)于28引腳的MAX6957ANI和MAX6957AAI，如果有8個(gè)端口未使用，在上電時(shí)需要將0x55寫入寄存器0x09和0x0A，將這些端口配置為輸出，否則這些未使用的端口會(huì)作為浮動(dòng)輸入，導(dǎo)致靜態(tài)電源電流上升。

4.2 多驅(qū)動(dòng)器寄存器控制

該芯片最多提供28個(gè)I/O端口，可以適用于多種不同類型顯示器的組合。為了簡(jiǎn)化對(duì)重疊顯示器的訪問，芯片提供了四個(gè)虛擬端口P0至P3。用戶可以選擇單端口寫入或者連續(xù)八個(gè)端口的組合寫入，不受端口邊界的限制。例如，使用8位控制時(shí)，一個(gè)帶小數(shù)點(diǎn)的七段數(shù)碼管可以通過單字節(jié)寫入進(jìn)行更新，而一個(gè)帶DP的14段數(shù)碼管可以通過兩個(gè)字節(jié)寫入進(jìn)行更新等。

4.3 關(guān)機(jī)模式

當(dāng)MAX6957處于關(guān)機(jī)模式時(shí)，所有端口會(huì)被強(qiáng)制設(shè)置為輸入狀態(tài)，上拉電流源會(huì)關(guān)閉。端口和控制寄存器中的數(shù)據(jù)保持不變，當(dāng)退出關(guān)機(jī)模式時(shí)，端口配置和輸出電平會(huì)恢復(fù)到之前的狀態(tài)。在關(guān)機(jī)模式下，仍然可以對(duì)顯示驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行編程。為了在關(guān)機(jī)模式下實(shí)現(xiàn)最小的電源電流，邏輯輸入應(yīng)該處于GND或V+電位。通過設(shè)置配置寄存器中的S位可以退出關(guān)機(jī)模式。

4.4 串行接口

MAX6957通過SPI兼容的4線串行接口進(jìn)行通信，該接口有三個(gè)輸入（時(shí)鐘SCLK、片選CS和數(shù)據(jù)輸入DIN）和一個(gè)輸出（數(shù)據(jù)輸出DOUT）。只有當(dāng)CS為低電平時(shí)，才能將數(shù)據(jù)時(shí)鐘輸入或輸出到設(shè)備中，并且DIN在SCLK的上升沿采樣時(shí)必須保持穩(wěn)定。DOUT會(huì)提供15.5個(gè)時(shí)鐘周期前輸入的位的副本，或者在查詢時(shí)輸出內(nèi)部寄存器數(shù)據(jù)，在SCLK的上升沿保持穩(wěn)定。需要注意的是，與標(biāo)準(zhǔn)SPI協(xié)議不同，MAX6957的DOUT永遠(yuǎn)不會(huì)處于高阻抗?fàn)顟B(tài)。如果需要將DOUT轉(zhuǎn)換為三態(tài)，可以參考www.maximintegrated.com/an1879。

4.5 LED電流控制

LED段驅(qū)動(dòng)電流可以進(jìn)行全局或單獨(dú)控制。當(dāng)所有LED都設(shè)置為相同的電流電平時(shí)，通過寫入全局電流寄存器可以簡(jiǎn)化操作；也可以通過設(shè)置配置寄存器的I位，選擇單獨(dú)控制每個(gè)LED段驅(qū)動(dòng)器的電流，此時(shí)全局電流寄存器（0x02）的數(shù)據(jù)將被忽略，而使用寄存器地址0x12至0x1F來設(shè)置段電流。

4.6 狀態(tài)轉(zhuǎn)換檢測(cè)

端口狀態(tài)轉(zhuǎn)換檢測(cè)功能允許對(duì)P24至P30這七個(gè)端口的任意組合進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，當(dāng)這些端口的邏輯狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，會(huì)在端口P31上產(chǎn)生一個(gè)高電平的中斷輸出（INT）。不過，芯片不會(huì)識(shí)別具體是哪個(gè)端口導(dǎo)致了中斷，只是提供一個(gè)有端口電平變化的警報(bào)。要使用這個(gè)功能，需要先設(shè)置掩碼寄存器，并將端口P31配置為輸出，然后通過設(shè)置配置寄存器中的M位來啟用狀態(tài)轉(zhuǎn)換檢測(cè)。

五、應(yīng)用與設(shè)計(jì)考慮

5.1 應(yīng)用領(lǐng)域

MAX6957適用于多個(gè)領(lǐng)域，如機(jī)頂盒、面板儀表、白色家電、條形圖顯示器、工業(yè)控制器和系統(tǒng)監(jiān)控等。在這些應(yīng)用中，它的多端口配置和靈活的LED驅(qū)動(dòng)能力能夠滿足不同的顯示和控制需求。

5.2 驅(qū)動(dòng)雙色和三色LED

對(duì)于雙色和三色LED的驅(qū)動(dòng)，MAX6957表現(xiàn)出色。雙色數(shù)碼管將紅色和綠色芯片組合在一起，通過單獨(dú)設(shè)置每個(gè)段的電流，從1/16（最小電流和LED強(qiáng)度）到16/16（最大電流和LED強(qiáng)度），甚至可以設(shè)置為關(guān)閉（零電流），一個(gè)雙色（紅 - 綠）段對(duì)可以實(shí)現(xiàn)289種顏色/強(qiáng)度組合，而一個(gè)離散或CA三色（紅 - 綠 - 黃或紅 - 綠 - 藍(lán)）段三元組可以實(shí)現(xiàn)4913種顏色/強(qiáng)度組合。

5.3 功耗問題

在設(shè)計(jì)過程中，功耗是一個(gè)需要考慮的重要因素。每個(gè)MAX6957端口在至少3.0V的電源電壓下工作時(shí)，可以向具有2.4V正向電壓降的LED吸入24mA的電流。當(dāng)所有輸出都作為L(zhǎng)ED段驅(qū)動(dòng)器以滿電流工作時(shí)，MAX6957可以吸入672mA的電流。在3.3V電源下，驅(qū)動(dòng)28個(gè)這樣的LED時(shí)，MAX6957的功耗為0.6W。如果使用更高的電源電壓或者LED的正向電壓降更低，MAX6957的功耗會(huì)增加。在這種情況下，可以考慮為每個(gè)LED添加一個(gè)串聯(lián)電阻，以降低芯片外部的過高驅(qū)動(dòng)電壓。

5.4 低電壓操作

MAX6957可以在低至2V的電源電壓下工作，但需要注意的是，源出和吸入電流不能得到保證。為了觸發(fā)設(shè)備的內(nèi)部復(fù)位，芯片在上電時(shí)的初始電源電壓至少要達(dá)到2.5V，并且串行接口的速度要限制在10Mbps以內(nèi)。

5.5 SPI布線考慮

由于MAX6957的SPI接口在2.5V電源下保證能夠以26Mbps的速度運(yùn)行，在5V電源下通?？梢赃_(dá)到50Mbps的速度。因此，當(dāng)接口連接長(zhǎng)度超過100mm時(shí)，特別是在較高的電源電壓下，需要考慮傳輸線的問題。為了減少接口線路中的振鈴現(xiàn)象，可以在DIN、SCLK和CS輸入端口連接一個(gè)1kΩ到10kΩ的并聯(lián)終端電阻到GND或V+。在進(jìn)行板間連接時(shí)，需要使用線路阻抗匹配終端。

5.6 PCB布局考慮

在PCB布局時(shí)，要確保使用MAX6957的所有GND連接。雖然接地平面不是必需的，但如果MAX6957的輸出負(fù)載較重，接地平面有助于降低電源阻抗。同時(shí)，要盡量縮短ISET引腳到RISET電阻的走線長(zhǎng)度，并將電阻的GND端連接到接地平面或直接連接到GND引腳。

5.7 電源供應(yīng)考慮

MAX6957的工作電源電壓范圍為2.5V至5.5V，需要在盡可能靠近設(shè)備的位置使用一個(gè)0.047μF的電容將電源旁路到GND。如果MAX6957距離板上的輸入大容量去耦電容較遠(yuǎn)，還需要添加一個(gè)1μF的電容。

六、總結(jié)

MAX6957是一款功能強(qiáng)大、靈活性高的LED顯示驅(qū)動(dòng)器和I/O擴(kuò)展器，它的多端口配置、精細(xì)的電流控制、靈活的狀態(tài)轉(zhuǎn)換檢測(cè)功能以及良好的電氣特性，使其在多種應(yīng)用場(chǎng)景中都能發(fā)揮出色的性能。在設(shè)計(jì)過程中，我們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，充分考慮功耗、低電壓操作、布線和布局等方面的因素，以確保芯片能夠穩(wěn)定可靠地工作。希望通過這篇文章，大家對(duì)MAX6957有了更深入的了解，在實(shí)際設(shè)計(jì)中能夠更好地運(yùn)用這款芯片。你在使用類似芯片時(shí)遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)交流討論。