本文討論了最新設(shè)計(jì)的端口擴(kuò)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(jī)的設(shè)計(jì)特別相關(guān)。MAX6966和MAX6965驅(qū)動(dòng)器說(shuō)明了筆記中討論的GPIO端口擴(kuò)展器技術(shù)。

介紹

通用輸入輸出 （GPIO） 端口擴(kuò)展器的目標(biāo)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(gè)端口的部件幾乎與它們所連接的 I2C 和 SPI 串行總線一樣長(zhǎng)。這些早期器件提供的特性包括具有有限驅(qū)動(dòng)電流的簡(jiǎn)單漏極開路或推挽輸出，以及具有非鎖存轉(zhuǎn)換檢測(cè)的邏輯輸入。最小的可用封裝是TSSOP封裝。

本應(yīng)用筆記討論了最新設(shè)計(jì)的端口擴(kuò)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(jī)的設(shè)計(jì)特別相關(guān)。

翻蓋手機(jī)互連問(wèn)題

翻蓋手機(jī)的外殼包括兩半，像翻蓋一樣折疊在一起（圖1）。基帶和無(wú)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(jī)的常見布局在翻蓋的內(nèi)側(cè)放置一個(gè)大顯示屏，在外部放置一個(gè)較小的顯示屏。外部顯示屏通常是半反射式LCD，無(wú)需背光即可讀取，始終運(yùn)行以顯示手機(jī)空閑時(shí)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(jì)還包括翻蓋中的攝像頭模塊。

圖1.柔性電路連接兩半手機(jī)。然而，翻蓋手機(jī)的鉸鏈?zhǔn)且粋€(gè)互連瓶頸。

在大多數(shù)翻轉(zhuǎn)機(jī)柜中，顯示器和相機(jī)包括單獨(dú)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(jī)圖片。然而，通過(guò)鉸鏈將數(shù)據(jù)從翻轉(zhuǎn)傳遞到主體會(huì)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(fù)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(gè)問(wèn)題，手機(jī)設(shè)計(jì)師總是被迫減少翻蓋和主體之間的連接數(shù)量。

GPIO端口擴(kuò)展器在翻蓋手機(jī)中的優(yōu)勢(shì)

通常，翻蓋手機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)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(shì)是將高速并行連接到翻蓋顯示器和相機(jī)串行化。減少其他連接的一種簡(jiǎn)單方法是識(shí)別可以直接在翻轉(zhuǎn)上合成的信號(hào)和控制，而不是通過(guò)柔性導(dǎo)入。小型低成本端口擴(kuò)展器可以控制邏輯輸入信號(hào)、輸出、LED 驅(qū)動(dòng)器或電源控制開關(guān)。端口擴(kuò)展器通過(guò)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(kuò)展器也是低功耗設(shè)備。為了在手機(jī)架構(gòu)中發(fā)揮作用，端口擴(kuò)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(biāo)準(zhǔn)串行協(xié)議接口，如I2C或SPI。

中斷驅(qū)動(dòng)以避免浪費(fèi)電源的 CPU 輪詢。

無(wú)需CPU干預(yù)即可運(yùn)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(dòng)

手機(jī)中的 LED 用于顯示和鍵盤背光（2 到 6 個(gè) LED）、功能和狀態(tài)指示燈、RGB 趣味燈以及電池和信號(hào)強(qiáng)度指示燈。端口擴(kuò)展器可節(jié)省空間和功耗，同時(shí)以多種方式減少系統(tǒng)內(nèi)不必要的交互：?jiǎn)蝹€(gè) LED 的 PWM 強(qiáng)度控制;高電壓和高電流驅(qū)動(dòng)，無(wú)需占用空間的分立晶體管;以及直接從電池驅(qū)動(dòng)的 LED 驅(qū)動(dòng)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(dòng)

漏極開路輸出端口可輕松驅(qū)動(dòng) 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(dòng) LED 的端口擴(kuò)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(dòng)器為9路輸出器件，具有強(qiáng)度控制和熱插入保護(hù)功能，采用3mm x 3mm QFN封裝。它提供 7 個(gè)額定 50V 的漏極開路 GPIO，具有 <>mA 吸電流能力和獨(dú)立的輸出 PWM 控制。

恒流端口直接從電池驅(qū)動(dòng) LED

更好的LED驅(qū)動(dòng)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(dòng)器具有兩個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)：

LED 電流與 LED 正向電壓或 LED 電源電壓的變化無(wú)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(dòng)器允許較低的LED電源電壓，因?yàn)殒?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(dòng)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(biāo)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(biāo)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(duì)電源的容差更嚴(yán)格。

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強(qiáng)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(fù)載電源電壓（通常用于 LED）和負(fù)載兩端電壓（LED 正向電壓）之間的差值。如果LED電源的壓降導(dǎo)致端口輸出電壓降至最小值以下，則結(jié)果是驅(qū)動(dòng)器輸出級(jí)的掉電，從而導(dǎo)致負(fù)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(dòng)器和邏輯I/O。

直接由手機(jī)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(shí)最大端電壓為4.2V，大部分時(shí)間為3.4V至3.7V，放電時(shí)約為3V。當(dāng)電池接近其使用壽命時(shí)，LED 電源將大大低于掉電點(diǎn)。

圖3顯示了當(dāng)LED電源電壓在3.170V至2V范圍內(nèi)變化時(shí)，5V藍(lán)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(dòng)，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(duì)于 6V 的 LED 電源電壓，LED 電流降至 7mA 或 3mA，這對(duì)于電池使用壽命結(jié)束時(shí)的許多背光應(yīng)用來(lái)說(shuō)是可接受的性能。

圖3.MAX6966恒流輸出直接從手機(jī)電池驅(qū)動(dòng)白光LED。

平滑 LED 電流需求

傳統(tǒng)的 LED PWM 控制對(duì)所有 PWM 輸出應(yīng)用相同的 PWM 周期;所有輸出同時(shí)接通（圖4）。因此，對(duì)于給定的PWM設(shè)置，LED驅(qū)動(dòng)器輸出在完全相同的時(shí)間內(nèi)消耗負(fù)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(shí)間電流消耗為零（所有負(fù)載關(guān)閉），另一半時(shí)間為滿量程（所有負(fù)載打開）。

圖4.傳統(tǒng)的PWM使所有端口輸出同時(shí)切換。

恒流LED驅(qū)動(dòng)器MAX6966將端口輸出的PWM時(shí)序錯(cuò)開1/8，在整個(gè)PWM周期內(nèi)分配端口輸出開關(guān)點(diǎn)。千PWM 周期的增量（圖 5）。交錯(cuò)通過(guò)降低電源的di/dt輸出開關(guān)瞬變來(lái)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(guò)錯(cuò)開PWM啟動(dòng)時(shí)間來(lái)平緩電流需求。

自動(dòng)執(zhí)行 LED 淡入淡出效果

MAX6966提供自動(dòng)控制，可逐步降低電流輸出以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)關(guān)斷（斜坡下降），然后從關(guān)斷狀態(tài)再次斜坡上升，無(wú)需進(jìn)一步交互（圖6和圖7）。斜坡下降包括一個(gè)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(shí)間，在此期間電流輸出斜坡下降。

圖6.MAX6966可自動(dòng)調(diào)節(jié)LED強(qiáng)度斜坡下降、延斷和衰減。

圖7.MAX6966可通過(guò)硬件觸發(fā)來(lái)控制LED強(qiáng)度上升的速率，從而留出時(shí)間斷開不需要的外設(shè)。

關(guān)斷時(shí)，MAX6966可通過(guò)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(yù)配置的LED強(qiáng)度設(shè)置使能MAX6966。當(dāng)關(guān)斷狀態(tài)出來(lái)時(shí)，LED 輸出可以自動(dòng)斜坡上升到其編程電流（圖 7）。這種設(shè)計(jì)方法消除了系統(tǒng)處理器的困難時(shí)間管理問(wèn)題;它還允許系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)模式，而LED驅(qū)動(dòng)器自行執(zhí)行定時(shí)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(guò)直接通電來(lái)打開和關(guān)閉許多外設(shè)。從這種認(rèn)識(shí)中可以學(xué)到一些應(yīng)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(fù)載包括振動(dòng)電機(jī)、LED 和許多 IrDA 接口模塊。接地開關(guān)是首選，因?yàn)橥ǔ？梢允褂么箅娏鳌⒙O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(kuò)展推挽式 GPIO 的高邊電流驅(qū)動(dòng)。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(fù)載。請(qǐng)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(shí)現(xiàn)更高電流的驅(qū)動(dòng)。

通過(guò)同時(shí)打開和關(guān)閉來(lái)確保端口共享負(fù)載。

端口擴(kuò)展器 — 可進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換的簡(jiǎn)單 I/O

GPIO還有另一個(gè)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：

輸入端口通常可以承受高于 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(shí)在較高電壓下監(jiān)控邏輯輸入。

無(wú)論GPIO的工作電源電壓如何，I2C接口都能承受高達(dá)5.5V的過(guò)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(guò)壓達(dá)到與GPIO工作電源電壓無(wú)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(guò)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(dá)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(dāng)GPIO的工作電源電壓斷開時(shí)，這些連接可以承受施加的電壓，而不會(huì)消耗寄生電流。熱插拔功能在連接到可獨(dú)立于手機(jī)供電的配件時(shí)非常有用。也就是說(shuō)，手機(jī)和配件可以按任一順序應(yīng)用其電源。

上電時(shí)推挽式I/O端口的默認(rèn)邏輯電平可通過(guò)一個(gè)高阻值上拉電阻（~1MΩ）設(shè)置至電源電壓，或一個(gè)下拉電阻設(shè)置為地。I/O端口在上電時(shí)默認(rèn)為高阻抗輸入，因此電阻器設(shè)置初始邏輯電平，直到通過(guò)其串行接口對(duì)GPIO進(jìn)行編程。

端口擴(kuò)展：自動(dòng)輸入監(jiān)控

如前所述，外設(shè)應(yīng)由事件中斷驅(qū)動(dòng)，以節(jié)省 CPU 輪詢。對(duì)于監(jiān)視不常見事件（例如手機(jī)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(cè)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(shí)生成中斷。MAX7319為I2C端口擴(kuò)展器，具有<>個(gè)漏極開路I/O，擴(kuò)展了傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換檢測(cè)，如下所述：

中斷輸出/INT被鎖存，瞬態(tài)變化導(dǎo)致中斷置位，直到MAX7319被讀取。

更改標(biāo)志寄存器用于標(biāo)識(shí)自上次讀取MAX7319以來(lái)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(shí)觸發(fā)中斷。

當(dāng)端口的輸入更改時(shí)，將設(shè)置每個(gè)端口的更改標(biāo)志;即使輸入返回到其原始狀態(tài)，該標(biāo)志仍保持設(shè)置狀態(tài)。每個(gè)端口的中斷掩碼確定該輸入端口上的更改是否會(huì)導(dǎo)致中斷。當(dāng)必須快速處理對(duì)輸入更改的響應(yīng)時(shí)，您可以使用中斷掩碼選擇要啟用中斷的最小優(yōu)先級(jí)輸入集。可以輪詢不太重要的輸入。更改標(biāo)志始終顯示自上次檢查以來(lái)這些輸入上是否發(fā)生了永久性或暫時(shí)性更改。

審核編輯：郭婷