端口擴展器降低折疊手機的成本及尺寸

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(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(xiàn)同時(shí)問(wèn)世。早期器件的功能主要包括：帶限流驅動(dòng)的漏極開(kāi)路輸出或推挽輸出，具有非閉鎖瞬變檢測的邏輯輸入?？商峁㏕SSOP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(guān)。

折疊式手機的內部連接

折疊手機的外殼類(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(xiàn)等。常見(jiàn)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(méi)有背光時(shí)也能看清，并一直打開(kāi)，顯示手機的空閑狀態(tài)及其它信息。機蓋周邊還有電話(huà)耳機，及其它音頻、振鈴電路。許多機蓋還設計了一個(gè)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(xiàn)，用于刷新顯示屏和下載圖片。然而，通過(guò)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(xiàn)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(xiàn)密度(即布線(xiàn)數)必須有所限制。手機設計者須減少機蓋、機體之間的連線(xiàn)數，增加了設計難度。

GPIO端口擴展器在折疊手機應用中的優(yōu)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(xiàn)數降至最少。發(fā)展趨勢是將機蓋顯示屏和照相機之間的高速并行連接進(jìn)行串行轉換。減少其他連線(xiàn)的簡(jiǎn)單方法是將信號線(xiàn)與控制線(xiàn)加以識別，并在機蓋上直接合成，而不是通過(guò)柔性電路連接。小尺寸、低成本的端口擴展器可以控制邏輯信號輸入、輸出、LED驅動(dòng)器或電源控制開(kāi)關(guān)。端口擴展器通過(guò)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(fā)揮作用，端口擴展器必須滿(mǎn)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)標準的串行協(xié)議接口，諸如I2C或SPI接口。
中斷驅動(dòng)，避免CPU輪詢(xún)造成較大功耗。
無(wú)需CPU干涉即可發(fā)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(dòng)

LED在手機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(gè)方面：?jiǎn)蝹€(gè)LED的PWM亮度控制；高壓、大電流驅動(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動(dòng)

漏極開(kāi)路輸出端口易于驅動(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(chēng)為鎮流電阻器)設置LED電流。端口擴展器非常適合驅動(dòng)額定電壓高于電源電壓的大電流端口，通過(guò)脈寬調制(PWM)信號調節LED亮度。例如，MAX6965 LED驅動(dòng)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(kāi)路GPIO，可吸入50mA電流，提供獨立的PWM輸出。

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

比較理想的LED驅動(dòng)方式是恒流源，代替傳統的硬件輸出開(kāi)關(guān)和限流鎮流電阻方案。恒流LED驅動(dòng)器具有兩個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：

LED電流與LED正向導通電壓或LED電源電壓的變化無(wú)關(guān)。

降低LED電源電壓(接近于LED正向導通電壓)，可以提高效率。

恒流驅動(dòng)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