摘要：本文討論了最新設(shè)計(jì)的端口擴(kuò)展器功能，這些功能與空間受限、成本敏感的折疊手機(jī)設(shè)計(jì)密切相關(guān)。以MAX6966和 MAX6965驅(qū)動(dòng)器為例論述了GPIO端口擴(kuò)展器技術(shù)。

引言

通用輸入輸出(GPIO)端口擴(kuò)展器IC能夠在小尺寸、低成本設(shè)計(jì)中提供適量的I/O端口，能夠提供8個(gè)或16個(gè)端口的芯片幾乎是與其相關(guān)的I2C和SPI串行總線同時(shí)問(wèn)世。早期器件的功能主要包括：帶限流驅(qū)動(dòng)的漏極開(kāi)路輸出或推挽輸出，具有非閉鎖瞬變檢測(cè)的邏輯輸入。可提供TSSOP最小封裝。

本應(yīng)用筆記討論了最新推出的端口擴(kuò)展器，這些器件功能與空間受限、成本敏感的折疊手機(jī)設(shè)計(jì)密切相關(guān)。

折疊式手機(jī)的內(nèi)部連接

折疊手機(jī)的外殼類(lèi)似于蛤殼，由折疊在一起的兩個(gè)外殼組成(圖1)。主體部分通常是較厚的一半，包括基帶電路、射頻電路，以及鍵盤(pán)、電池、天線等。常見(jiàn)的緊湊型手機(jī)布局是將大的顯示屏置于機(jī)蓋內(nèi)部，小顯示屏置于機(jī)蓋外部，如圖所示。外屏通常是半反射型LCD，在沒(méi)有背光時(shí)也能看清，并一直打開(kāi)，顯示手機(jī)的空閑狀態(tài)及其它信息。機(jī)蓋周邊還有電話耳機(jī)，及其它音頻、振鈴電路。許多機(jī)蓋還設(shè)計(jì)了一個(gè)照相機(jī)模塊。


圖1. 采用柔性電路連接手機(jī)的兩部分，但折疊手機(jī)的轉(zhuǎn)軸是內(nèi)部連接的瓶頸。

在大多數(shù)機(jī)蓋配件中，顯示屏、攝像頭帶有單獨(dú)的、速率適當(dāng)(Mbps)的并行接口總線，用于刷新顯示屏和下載圖片。然而，通過(guò)轉(zhuǎn)軸從機(jī)蓋到主機(jī)體傳遞數(shù)據(jù)存在一定瓶頸。轉(zhuǎn)軸通常是由Mylar?和銅線制造的柔性電路，為確保在反復(fù)折疊使用后電路的可靠性，布線密度(即布線數(shù))必須有所限制。手機(jī)設(shè)計(jì)者須減少機(jī)蓋、機(jī)體之間的連線數(shù)，增加了設(shè)計(jì)難度。

GPIO端口擴(kuò)展器在折疊手機(jī)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)

通常，設(shè)計(jì)折疊手機(jī)應(yīng)將連接機(jī)蓋、機(jī)體的柔性電路的銅線數(shù)降至最少。發(fā)展趨勢(shì)是將機(jī)蓋顯示屏和照相機(jī)之間的高速并行連接進(jìn)行串行轉(zhuǎn)換。減少其他連線的簡(jiǎn)單方法是將信號(hào)線與控制線加以識(shí)別，并在機(jī)蓋上直接合成，而不是通過(guò)柔性電路連接。小尺寸、低成本的端口擴(kuò)展器可以控制邏輯信號(hào)輸入、輸出、LED驅(qū)動(dòng)器或電源控制開(kāi)關(guān)。端口擴(kuò)展器通過(guò)I2C或SPI接口連接至主板，這些接口機(jī)蓋上可能已提供。

端口擴(kuò)展器也是一種低功耗設(shè)備，若想在手機(jī)設(shè)計(jì)中發(fā)揮作用，端口擴(kuò)展器必須滿足以下條件：

• 具有小尺寸封裝(2mm x 2mm或3mm x 3mm薄型QFN封裝)，以便放置在任何位置。
• 具有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的串行協(xié)議接口，諸如I2C或SPI接口。
• 中斷驅(qū)動(dòng)，避免CPU輪詢?cè)斐奢^大功耗。
• 無(wú)需CPU干涉即可發(fā)揮主要功能(PWM、輸入監(jiān)測(cè))。
• 工作在1.8V至3V低電源電壓，工作電壓甚至可低于1V。
• 電源電流損耗低于1μA。

LED驅(qū)動(dòng)

LED在手機(jī)中用于顯示屏和鍵盤(pán)背光(2至6個(gè)LED)、功能或狀態(tài)指示、RGB閃爍以及電池、信號(hào)強(qiáng)度指示。端口擴(kuò)展器可節(jié)省空間、功耗，并減少系統(tǒng)不必要的操作，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：?jiǎn)蝹€(gè)LED的PWM亮度控制；高壓、大電流驅(qū)動(dòng)，無(wú)需占用空間的分立晶體管；直接由電池供電的LED驅(qū)動(dòng)，降低成本，并消除了電荷泵或基于電感的升壓電源的EMI。

漏極開(kāi)路端口提供大電流驅(qū)動(dòng)

漏極開(kāi)路輸出端口易于驅(qū)動(dòng)一個(gè)LED，該端口如同一個(gè)硬件輸出開(kāi)關(guān)，利用一個(gè)串聯(lián)電阻(通常稱為鎮(zhèn)流電阻器)設(shè)置LED電流。端口擴(kuò)展器非常適合驅(qū)動(dòng)額定電壓高于電源電壓的大電流端口，通過(guò)脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)調(diào)節(jié)LED亮度。例如，MAX6965 LED驅(qū)動(dòng)器提供9路輸出，具有亮度控制和熱插入保護(hù)，采用3mm x 3mm的QFN封裝。該器件提供9路額定電壓為7V的漏極開(kāi)路GPIO，可吸入50mA電流，提供獨(dú)立的PWM輸出。

直接由電池供電時(shí)可為L(zhǎng)ED提供恒流端口驅(qū)動(dòng)

比較理想的LED驅(qū)動(dòng)方式是恒流源，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硬件輸出開(kāi)關(guān)和限流鎮(zhèn)流電阻方案。恒流LED驅(qū)動(dòng)器具有兩個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：

• LED電流與LED正向?qū)妷夯?a target="_blank">LED電源電壓的變化無(wú)關(guān)。
• 降低LED電源電壓(接近于LED正向?qū)妷?，可以提高效率。

恒流驅(qū)動(dòng)器允許較低的LED電源電壓，因?yàn)殒?zhèn)流電阻器兩端的電壓必須足夠高，以補(bǔ)償LED電源電壓和正向壓降的變化。例如，如果采用5V±5%的電源驅(qū)動(dòng)一個(gè)白光LED，規(guī)定的正向?qū)妷簽?.1V ±0.25V。鎮(zhèn)流電阻兩端電壓的標(biāo)稱值為1.9V，變化范圍為1.4V至2.4V。由此，電流的最大變化為±26%。如果電源電壓降為4V ±3%，鎮(zhèn)流電阻的標(biāo)稱電壓為0.9V，其變化范圍為0.53V至1.27V。這時(shí)，盡管電源容限小了，但電流的最大變化為±41%。

即使輸出端口兩端的壓降高于所規(guī)定的最小值(圖2)，恒流驅(qū)動(dòng)器，如MAX6966 (10端口LED驅(qū)動(dòng)器和I/O擴(kuò)展器，帶PWM亮度控制)也能精確地調(diào)節(jié)其恒流輸出。端口輸出電壓是負(fù)載(通常為L(zhǎng)ED)電源電壓和負(fù)載兩端電壓(LED正向電壓)之差。如果LED電源電壓下降，無(wú)法維持最小端口輸出電壓，驅(qū)動(dòng)器的輸出級(jí)將進(jìn)入電源失效狀態(tài)，負(fù)載電流隨之下降。對(duì)于10mA的吸入電流，MAX6966最小端口電壓約為0.5V；對(duì)于20mA的吸入電流，最小端口電壓約為1V。


圖2. MAX6966 GPIO IC包括LED驅(qū)動(dòng)器和邏輯I/O口

LED直接由手機(jī)電池供電時(shí)，可節(jié)省空間、省去升壓變換器的成本。因此，典型的LED電源為一節(jié)可充電鋰電池，電池電壓在充滿時(shí)最大為4.2V，使用中為3.4V至3.7V，完全放電后降至3V。電池供電不足時(shí)，LED電源電壓明顯低于電源失效狀態(tài)的電壓。

圖3所示為L(zhǎng)ED電源電壓從2.5V變化到7V時(shí)，3V藍(lán)光LED (LITEON LTST-C170TBKT)的典型吸入電流。圖中所示LED由預(yù)先編程設(shè)置為10mA和20mA的恒流端口驅(qū)動(dòng)，電源電壓在2.5V至7V范圍內(nèi)連續(xù)變化?？梢钥闯?，LED正向?qū)妷弘S電流降低而降低，因此，電源失效時(shí)LED電流將緩慢降低，而不是直接降至失效狀態(tài)。LED電源電壓降至3V時(shí)，LED電流降至6mA或7mA，這在電池耗盡情況下對(duì)于多數(shù)背光應(yīng)用是可以接受的。


圖3. MAX6966恒流輸出直接采用手機(jī)電池驅(qū)動(dòng)白光LED

均分LED電流

傳統(tǒng)的PWM控制方式是所有的PWM輸出采用相同的PWM時(shí)序，即所有輸出在同一時(shí)刻接通(圖4)。所以，由PWM設(shè)置的LED驅(qū)動(dòng)器將同時(shí)吸入電源電流。例如，如果所有輸出的占空比均設(shè)置為50:50，則一半時(shí)間內(nèi)電流吸入為零(所有負(fù)載斷開(kāi))，另一半時(shí)間內(nèi)吸入電流為滿幅(所有負(fù)載接通)。


圖4. 傳統(tǒng)的PWM架構(gòu)導(dǎo)致所有輸出端口同時(shí)切換

MAX6966恒流LED驅(qū)動(dòng)器各端口的PWM輸出采用錯(cuò)相工作，相差1/8的PWM周期(圖5)，在PWM周期均勻分配各個(gè)端口的輸出開(kāi)關(guān)時(shí)間，從而降低了電源輸出開(kāi)關(guān)瞬變di/dt和峰值/均值電流，同時(shí)也減小了EMI，而且允許電源采用較窄的PCB布線。


圖5. MAX6966使PWM錯(cuò)相工作，均衡了對(duì)電源電流的需求

自動(dòng)降低LED亮度

MAX6966的自動(dòng)控制功能允許電流輸出逐步降至自動(dòng)關(guān)斷狀態(tài)(緩降)，退出關(guān)斷狀態(tài)時(shí)電流逐步上升，無(wú)需更多操作(圖6和圖7)。緩降過(guò)程包括一段可編程設(shè)置的延遲時(shí)間，期間輸出電流仍保持最大值，之后在預(yù)設(shè)的漸弱時(shí)間內(nèi)電流逐漸降低。


圖6. MAX6966使LED亮度自動(dòng)緩降，經(jīng)過(guò)一定延遲后逐漸變?nèi)?br>

圖7. MAX6966可由硬件觸發(fā)，以控制LED亮度的上升速率，從而獲得一定時(shí)間斷開(kāi)不需要的外設(shè)

關(guān)斷狀態(tài)下，可用CS輸入端的一個(gè)短脈沖激活MAX6966。這種硬件喚醒功能允許電源管理控制器或類(lèi)似的ASIC以預(yù)置的LED亮度配置啟動(dòng)MAX6966。退出關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，LED輸出可以自動(dòng)緩慢上升至預(yù)設(shè)電流(圖7)。這種設(shè)計(jì)方法解決了系統(tǒng)處理器的時(shí)間管理難題；也允許系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)模式，而LED驅(qū)動(dòng)器自身則執(zhí)行定時(shí)功能。

許多GPIO器件提供了較高的源出電流和吸入電流，在電源直接供電時(shí)可用來(lái)打開(kāi)或關(guān)閉外設(shè)。從這一功能可以了解到以下應(yīng)用技巧：

• 在任何應(yīng)用中，應(yīng)盡量控制外圍設(shè)備的GND引腳，而不是控制正電源。易于受接地開(kāi)關(guān)控制的負(fù)載設(shè)備包括振動(dòng)電機(jī)、LED和許多IrDA接口模塊。接地開(kāi)關(guān)由于普遍可提供大電流、漏極開(kāi)路端口成為首選。
• 采用推挽式GPIO (MAX7310、MAX7312、MAX7320)控制外圍設(shè)備的正電源，要求電源電流較小。這種方法普遍用于IC的掉電保護(hù)。
• 使用外部PFET擴(kuò)展推挽式GPIO的高邊電流驅(qū)動(dòng)。只需將PFET柵極連接至推挽輸出端口，源極接電源正極，漏極接負(fù)載。需要注意的是，當(dāng)前的控制邏輯是反向的：輸出端口的邏輯低電平接通PFET。
• 并聯(lián)漏極開(kāi)路端口可獲得更大的驅(qū)動(dòng)電流。
• 確保端口同時(shí)打開(kāi)、關(guān)閉，共同驅(qū)動(dòng)負(fù)載。

端口擴(kuò)展器 - 簡(jiǎn)單I/O實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換

GPIO還有另一個(gè)重要功能：使輸入和輸出在高、低電壓之間來(lái)回切換。下面列出了一些電平轉(zhuǎn)換用途：

• 輸入端口的耐壓值通常高于GPIO的工作電壓，該性能允許工作在低電源電壓的GPIO能夠監(jiān)測(cè)較高電壓的邏輯輸入。
• I2C接口可承受5.5V電壓，與GPIO的工作電壓無(wú)關(guān)。因此，通過(guò)電阻上拉到3.3V的I2C總線能與工作在2.5V或1.8V的GPIO進(jìn)行通信。
• 漏極開(kāi)路I/O通?？沙惺艿碾妷号cGPIO的工作電壓。例如，MAX6964/MAX6965和MAX7313-MAX7316 系列的I/O端口能夠承受5.5V或7V電壓。在端口和所要求的電源之間連接一個(gè)上拉電阻，任何端口都能產(chǎn)生達(dá)到指定邏輯電平的擺幅。
• 漏極開(kāi)路I/O和I2C接口通常具有熱插拔保護(hù)，這意味著斷開(kāi)GPIO的電源電壓時(shí)，這些連接不需要額外吸收寄生電流就可承受所施加的電壓。當(dāng)與單獨(dú)供電的手機(jī)附件連接時(shí)，熱插拔功能非常有用，也就是說(shuō)，手機(jī)和附件能以任意次序接通電源。
• 通過(guò)一個(gè)大阻值上拉電阻(~1MΩ)，可將上電時(shí)的推挽式I/O端口的默認(rèn)電平設(shè)置為電源電壓，或通過(guò)一只下拉電阻將其設(shè)置為地電平。上電時(shí)I/O端口默認(rèn)為高阻輸入，因此，在通過(guò)其串行接口編程設(shè)置GPIO之前，由電阻設(shè)定初始邏輯電平。

端口擴(kuò)展：自動(dòng)輸入監(jiān)測(cè)

如上所述，外設(shè)應(yīng)由事件中斷驅(qū)動(dòng)，避免CPU輪詢。對(duì)于那些偶然事件監(jiān)視，如手機(jī)翻蓋或電源失效告警的GPIO輸入，這一點(diǎn)尤為重要。多數(shù)GPIO包括瞬變檢測(cè)電路，可監(jiān)測(cè)所有的邏輯輸入變化，并在輸入狀態(tài)改變時(shí)產(chǎn)生中斷。MAX7319是I2C端口擴(kuò)展器，帶有8路漏極開(kāi)路I/O，擴(kuò)展了傳統(tǒng)的瞬變檢測(cè)功能，如下所述：

• 鎖存中斷輸出/INT，直到讀取MAX7319時(shí)瞬態(tài)改變才會(huì)產(chǎn)生中斷請(qǐng)求。
• 讀取MAX7319后，變化標(biāo)志寄存器可以識(shí)別任何發(fā)生變化的端口，即使是瞬態(tài)變化。
• 中斷屏蔽寄存器只允許特定的輸入端口在其變化時(shí)觸發(fā)中斷。

當(dāng)任一端口輸入變化時(shí)，對(duì)應(yīng)端口的瞬態(tài)標(biāo)志位置位；即使輸入返回原始狀態(tài)，該標(biāo)志位仍保持不變。端口中斷屏蔽位決定了發(fā)生瞬態(tài)變化的輸入端口是否產(chǎn)生中斷。通過(guò)中斷屏蔽位使能高優(yōu)先級(jí)的輸入中斷，中斷允許系統(tǒng)對(duì)這些輸入端口的變化做出快速響應(yīng)，可用輪詢方式檢測(cè)低優(yōu)先級(jí)輸入。瞬態(tài)標(biāo)志位表明最后一次訪問(wèn)后，輸入端口是否發(fā)生變化。