本文討論了最新設(shè)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(shè)計特別相關(guān)。MAX6966和MAX6965驅(qū)動器說明了筆記中討論的GPIO端口擴展器技術(shù)。

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(qū)動電流的簡單漏極開路或推挽輸出，以及具有非鎖存轉(zhuǎn)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(shè)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(shè)計特別相關(guān)。

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(nèi)側(cè)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(tài)信息。翻轉(zhuǎn)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(shè)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(shù)翻轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)從翻轉(zhuǎn)傳遞到主體會產(chǎn)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(shù)量）。為了加劇這個問題，手機設(shè)計師總是被迫減少翻蓋和主體之間的連接數(shù)量。

GPIO端口擴展器在翻蓋手機中的優(yōu)勢

通常，翻蓋手機設(shè)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(shù)量。行業(yè)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(zhuǎn)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(qū)動器或電源控制開關(guān)。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(zhuǎn)上提供。

端口擴展器也是低功耗設(shè)備。為了在手機架構(gòu)中發(fā)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(xié)議接口，如I2C或SPI。

中斷驅(qū)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(jiān)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(nèi)的電源電流。

發(fā)光二極管驅(qū)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(tài)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(jié)省空間和功耗，同時以多種方式減少系統(tǒng)內(nèi)不必要的交互：單個 LED 的 PWM 強度控制;高電壓和高電流驅(qū)動，無需占用空間的分立晶體管;以及直接從電池驅(qū)動的 LED 驅(qū)動器，可節(jié)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(qū)動

漏極開路輸出端口可輕松驅(qū)動 LED。該端口用作接地的硬輸出開關(guān)，串聯(lián)電阻器（通常稱為鎮(zhèn)流電阻器）設(shè)置 LED 電流。適用于驅(qū)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(diào)節(jié) LED 亮度的脈寬調(diào)制 （PWM）。例如，MAX6965 LED驅(qū)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(qū)動 LED

更好的LED驅(qū)動方法是恒流灌電流，它取代了更傳統(tǒng)的硬輸出開關(guān)和限流鎮(zhèn)流電阻。恒流 LED 驅(qū)動器具有兩個關(guān)鍵優(yōu)勢：

LED 電流與 LED 正向電壓或 LED 電源電壓的變化無關(guān)。

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(qū)動器允許較低的LED電源電壓，因為鎮(zhèn)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(qū)動的白光 LED，正向電壓指定為 3.1V ±0.25V。鎮(zhèn)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(zhèn)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(xiàn)在為±41%，盡管對電源的容差更嚴格。

恒流驅(qū)動器，如MAX6966（10端口LED驅(qū)動器和I/O擴展器，帶PWM強度控制）可以正確調(diào)節(jié)其恒流輸出，前提是端口輸出端的壓降高于規(guī)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(jié)果是驅(qū)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(qū)動器和邏輯I/O。

直接由手機電池操作 LED，可節(jié)省升壓轉(zhuǎn)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(nèi)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(qū)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(wěn)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(jié)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(qū)動白光LED。

平滑 LED 電流需求

傳統(tǒng)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(shè)置，LED驅(qū)動器輸出在完全相同的時間內(nèi)消耗負載電流。例如，如果所有輸出都設(shè)置為50：50占空比，則一半的時間電流消耗為零（所有負載關(guān)閉），另一半時間為滿量程（所有負載打開）。

圖4.傳統(tǒng)的PWM使所有端口輸出同時切換。

恒流LED驅(qū)動器MAX6966將端口輸出的PWM時序錯開1/8，在整個PWM周期內(nèi)分配端口輸出開關(guān)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(guān)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(zhí)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(xiàn)自動關(guān)斷（斜坡下降），然后從關(guān)斷狀態(tài)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(tài)一段時間，在此期間電流輸出斜坡下降。

圖6.MAX6966可自動調(diào)節(jié)LED強度斜坡下降、延斷和衰減。

圖7.MAX6966可通過硬件觸發(fā)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(shè)。

關(guān)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(shè)置使能MAX6966。當關(guān)斷狀態(tài)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(shè)計方法消除了系統(tǒng)處理器的困難時間管理問題;它還允許系統(tǒng)進入待機模式，而LED驅(qū)動器自行執(zhí)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(guān)閉許多外設(shè)。從這種認識中可以學到一些應用技巧：

盡可能控制外設(shè)的GND引腳，而不是正電源引腳。可輕松接地開關(guān)的負載包括振動電機、LED 和許多 IrDA 接口模塊。接地開關(guān)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(shè)的正電源引腳。這種方法通常用于關(guān)斷 IC。

使用外部 PFET 擴展推挽式 GPIO 的高邊電流驅(qū)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(xiàn)在反轉(zhuǎn)：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(lián)以實現(xiàn)更高電流的驅(qū)動。

通過同時打開和關(guān)閉來確保端口共享負載。

端口擴展器 — 可進行電平轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jiān)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(guān)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(chǎn)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(shè)置至電源電壓，或一個下拉電阻設(shè)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(shè)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(jiān)控

如前所述，外設(shè)應由事件中斷驅(qū)動，以節(jié)省 CPU 輪詢。對于監(jiān)視不常見事件（例如手機中的翻轉(zhuǎn)關(guān)閉開關(guān)或電源故障警告）的 GPIO 輸入尤其如此。許多 GPIO 包括轉(zhuǎn)換檢測電路，用于監(jiān)視所有邏輯輸入，并在任何輸入更改狀態(tài)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(tǒng)的轉(zhuǎn)換檢測，如下所述：

中斷輸出/INT被鎖存，瞬態(tài)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(fā)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(fā)中斷。

當端口的輸入更改時，將設(shè)置每個端口的更改標志;即使輸入返回到其原始狀態(tài)，該標志仍保持設(shè)置狀態(tài)。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(yōu)先級輸入集。可以輪詢不太重要的輸入。更改標志始終顯示自上次檢查以來這些輸入上是否發(fā)生了永久性或暫時性更改。

審核編輯：郭婷