摘要：本文討論了最新設計的端口擴展器功能，這些功能與空間受限、成本敏感的折疊手機設計密切相關。以MAX6966和 MAX6965驅動器為例論述了GPIO端口擴展器技術。

引言

通用輸入輸出(GPIO)端口擴展器IC能夠在小尺寸、低成本設計中提供適量的I/O端口，能夠提供8個或16個端口的芯片幾乎是與其相關的I2C和SPI串行總線同時問世。早期器件的功能主要包括：帶限流驅動的漏極開路輸出或推挽輸出，具有非閉鎖瞬變檢測的邏輯輸入。可提供TSSOP最小封裝。

本應用筆記討論了最新推出的端口擴展器，這些器件功能與空間受限、成本敏感的折疊手機設計密切相關。

折疊式手機的內部連接

折疊手機的外殼類似于蛤殼，由折疊在一起的兩個外殼組成(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、電池、天線等。常見的緊湊型手機布局是將大的顯示屏置于機蓋內部，小顯示屏置于機蓋外部，如圖所示。外屏通常是半反射型LCD，在沒有背光時也能看清，并一直打開，顯示手機的空閑狀態及其它信息。機蓋周邊還有電話耳機，及其它音頻、振鈴電路。許多機蓋還設計了一個照相機模塊。


圖1. 采用柔性電路連接手機的兩部分，但折疊手機的轉軸是內部連接的瓶頸。

在大多數機蓋配件中，顯示屏、攝像頭帶有單獨的、速率適當(Mbps)的并行接口總線，用于刷新顯示屏和下載圖片。然而，通過轉軸從機蓋到主機體傳遞數據存在一定瓶頸。轉軸通常是由Mylar?和銅線制造的柔性電路，為確保在反復折疊使用后電路的可靠性，布線密度(即布線數)必須有所限制。手機設計者須減少機蓋、機體之間的連線數，增加了設計難度。

GPIO端口擴展器在折疊手機應用中的優勢

通常，設計折疊手機應將連接機蓋、機體的柔性電路的銅線數降至最少。發展趨勢是將機蓋顯示屏和照相機之間的高速并行連接進行串行轉換。減少其他連線的簡單方法是將信號線與控制線加以識別，并在機蓋上直接合成，而不是通過柔性電路連接。小尺寸、低成本的端口擴展器可以控制邏輯信號輸入、輸出、LED驅動器或電源控制開關。端口擴展器通過I2C或SPI接口連接至主板，這些接口機蓋上可能已提供。

端口擴展器也是一種低功耗設備，若想在手機設計中發揮作用，端口擴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。
• 具有一個標準的串行協議接口，諸如I2C或SPI接口。
• 中斷驅動，避免CPU輪詢造成較大功耗。
• 無需CPU干涉即可發揮主要功能(PWM、輸入監測)。
• 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驅動

LED在手機中用于顯示屏和鍵盤背光(2至6個LED)、功能或狀態指示、RGB閃爍以及電池、信號強度指示。端口擴展器可節省空間、功耗，并減少系統不必要的操作，主要表現在以下幾個方面：單個LED的PWM亮度控制；高壓、大電流驅動，無需占用空間的分立晶體管；直接由電池供電的LED驅動，降低成本，并消除了電荷泵或基于電感的升壓電源的EMI。

漏極開路端口提供大電流驅動

漏極開路輸出端口易于驅動一個LED，該端口如同一個硬件輸出開關，利用一個串聯電阻(通常稱為鎮流電阻器)設置LED電流。端口擴展器非常適合驅動額定電壓高于電源電壓的大電流端口，通過脈寬調制(PWM)信號調節LED亮度。例如，MAX6965 LED驅動器提供9路輸出，具有亮度控制和熱插入保護，采用3mm x 3mm的QFN封裝。該器件提供9路額定電壓為7V的漏極開路GPIO，可吸入50mA電流，提供獨立的PWM輸出。

直接由電池供電時可為LED提供恒流端口驅動

比較理想的LED驅動方式是恒流源，代替傳統的硬件輸出開關和限流鎮流電阻方案。恒流LED驅動器具有兩個主要優點：

• LED電流與LED正向導通電壓或LED電源電壓的變化無關。
• 降低LED電源電壓(接近于LED正向導通電壓)，可以提高效率。

恒流驅動器允許較低的LED電源電壓，因為鎮流電阻器兩端的電壓必須足夠高，以補償LED電源電壓和正向壓降的變化。例如，如果采用5V±5%的電源驅動一個白光LED，規定的正向導通電壓為3.1V ±0.25V。鎮流電阻兩端電壓的標稱值為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%，鎮流電阻的標稱電壓為0.9V，其變化范圍為0.53V至1.27V。這時，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定的最小值(圖2)，恒流驅動器，如MAX6966 (10端口LED驅動器和I/O擴展器，帶PWM亮度控制)也能精確地調節其恒流輸出。端口輸出電壓是負載(通常為LED)電源電壓和負載兩端電壓(LED正向電壓)之差。如果LED電源電壓下降，無法維持最小端口輸出電壓，驅動器的輸出級將進入電源失效狀態，負載電流隨之下降。對于10mA的吸入電流，MAX6966最小端口電壓約為0.5V；對于20mA的吸入電流，最小端口電壓約為1V。


圖2. MAX6966 GPIO IC包括LED驅動器和邏輯I/O口

LED直接由手機電池供電時，可節省空間、省去升壓變換器的成本。因此，典型的LED電源為一節可充電鋰電池，電池電壓在充滿時最大為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，LED電源電壓明顯低于電源失效狀態的電壓。

圖3所示為LED電源電壓從2.5V變化到7V時，3V藍光LED (LITEON LTST-C170TBKT)的典型吸入電流。圖中所示LED由預先編程設置為10mA和20mA的恒流端口驅動，電源電壓在2.5V至7V范圍內連續變化。可以看出，LED正向導通電壓隨電流降低而降低，因此，電源失效時LED電流將緩慢降低，而不是直接降至失效狀態。LED電源電壓降至3V時，LED電流降至6mA或7mA，這在電池耗盡情況下對于多數背光應用是可以接受的。


圖3. MAX6966恒流輸出直接采用手機電池驅動白光LED

均分LED電流

傳統的PWM控制方式是所有的PWM輸出采用相同的PWM時序，即所有輸出在同一時刻接通(圖4)。所以，由PWM設置的LED驅動器將同時吸入電源電流。例如，如果所有輸出的占空比均設置為50:50，則一半時間內電流吸入為零(所有負載斷開)，另一半時間內吸入電流為滿幅(所有負載接通)。


圖4. 傳統的PWM架構導致所有輸出端口同時切換

MAX6966恒流LED驅動器各端口的PWM輸出采用錯相工作，相差1/8的PWM周期(圖5)，在PWM周期均勻分配各個端口的輸出開關時間，從而降低了電源輸出開關瞬變di/dt和峰值/均值電流，同時也減小了EMI，而且允許電源采用較窄的PCB布線。


圖5. MAX6966使PWM錯相工作，均衡了對電源電流的需求

自動降低LED亮度

MAX6966的自動控制功能允許電流輸出逐步降至自動關斷狀態(緩降)，退出關斷狀態時電流逐步上升，無需更多操作(圖6和圖7)。緩降過程包括一段可編程設置的延遲時間，期間輸出電流仍保持最大值，之后在預設的漸弱時間內電流逐漸降低。


圖6. MAX6966使LED亮度自動緩降，經過一定延遲后逐漸變弱


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

關斷狀態下，可用CS輸入端的一個短脈沖激活MAX6966。這種硬件喚醒功能允許電源管理控制器或類似的ASIC以預置的LED亮度配置啟動MAX6966。退出關斷狀態時，LED輸出可以自動緩慢上升至預設電流(圖7)。這種設計方法解決了系統處理器的時間管理難題；也允許系統進入待機模式，而LED驅動器自身則執行定時功能。

許多GPIO器件提供了較高的源出電流和吸入電流，在電源直接供電時可用來打開或關閉外設。從這一功能可以了解到以下應用技巧：

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

端口擴展器 - 簡單I/O實現電平轉換

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

• 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能夠監測較高電壓的邏輯輸入。
• I2C接口可承受5.5V電壓，與GPIO的工作電壓無關。因此，通過電阻上拉到3.3V的I2C總線能與工作在2.5V或1.8V的GPIO進行通信。
• 漏極開路I/O通常可承受的電壓與GPIO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上拉電阻，任何端口都能產生達到指定邏輯電平的擺幅。
• 漏極開路I/O和I2C接口通常具有熱插拔保護，這意味著斷開GPIO的電源電壓時，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。當與單獨供電的手機附件連接時，熱插拔功能非常有用，也就是說，手機和附件能以任意次序接通電源。
• 通過一個大阻值上拉電阻(~1MΩ)，可將上電時的推挽式I/O端口的默認電平設置為電源電壓，或通過一只下拉電阻將其設置為地電平。上電時I/O端口默認為高阻輸入，因此，在通過其串行接口編程設置GPIO之前，由電阻設定初始邏輯電平。

端口擴展：自動輸入監測

如上所述，外設應由事件中斷驅動，避免CPU輪詢。對于那些偶然事件監視，如手機翻蓋或電源失效告警的GPIO輸入，這一點尤為重要。多數GPIO包括瞬變檢測電路，可監測所有的邏輯輸入變化，并在輸入狀態改變時產生中斷。MAX7319是I2C端口擴展器，帶有8路漏極開路I/O，擴展了傳統的瞬變檢測功能，如下所述：

• 鎖存中斷輸出/INT，直到讀取MAX7319時瞬態改變才會產生中斷請求。
• 讀取MAX7319后，變化標志寄存器可以識別任何發生變化的端口，即使是瞬態變化。
• 中斷屏蔽寄存器只允許特定的輸入端口在其變化時觸發中斷。

當任一端口輸入變化時，對應端口的瞬態標志位置位；即使輸入返回原始狀態，該標志位仍保持不變。端口中斷屏蔽位決定了發生瞬態變化的輸入端口是否產生中斷。通過中斷屏蔽位使能高優先級的輸入中斷，中斷允許系統對這些輸入端口的變化做出快速響應，可用輪詢方式檢測低優先級輸入。瞬態標志位表明最后一次訪問后，輸入端口是否發生變化。