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。

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led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±5%的電源驅動(dòng)一個(gè)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(chēng)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(chēng)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定的最小值(圖2)，恒流驅動(dòng)器，如max6966 (10端口led驅動(dòng)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(wú)法維持最小端口輸出電壓，驅動(dòng)器的輸出級將進(jìn)入電源失效狀態(tài)，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。

led直接由手機電池供電時(shí)，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(mǎn)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led電源電壓從2.5v變化到7v時(shí)，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(dòng)，電源電壓在2.5v至7v范圍內連續變化?？梢钥闯?，led正向導通電壓隨電流降低而降低，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于多數背光應用是可以接受的。

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(shí)序，即所有輸出在同一時(shí)刻接通(圖4)。所以，由pwm設置的led驅動(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置為50:50，則一半時(shí)間內電流吸入為零(所有負載斷開(kāi))，另一半時(shí)間內吸入電流為滿(mǎn)幅(所有負載接通)。

max6966恒流led驅動(dòng)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(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(xiàn)。

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置的延遲時(shí)間，期間輸出電流仍保持最大值，之后在預設的漸弱時(shí)間內電流逐漸降低。

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)緩慢上升至預設電流(圖7)。這種設計方法解決了系統處理器的時(shí)間管理難題；也允許系統進(jìn)入待機模式，而led驅動(dòng)器自身則執行定時(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。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(kāi)關(guān)控制的負載設備包括振動(dòng)電機、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(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(lián)漏極開(kāi)路端口可獲得更大的驅動(dòng)電流。

確保端口同時(shí)打開(kāi)、關(guān)閉，共同驅動(dòng)負載。

端口擴展器 - 簡(jiǎn)單i/o實(shí)現電平轉換

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(wú)關(guān)。因此，通過(guò)電阻上拉到3.3v的i2c總線(xiàn)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，這意味著(zhù)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。當與單獨供電的手機附件連接時(shí)，熱插拔功能非常有用，也就是說(shuō)，手機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(~1m)，可將上電時(shí)的推挽式i/o端口的默認電平設置為電源電壓，或通過(guò)一只下拉電阻將其設置為地電平。上電時(shí)i/o端口默認為高阻輸入，因此，在通過(guò)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(dòng)輸入監測

如上所述，外設應由事件中斷驅動(dòng)，避免cpu輪詢(xún)。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(diǎn)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(tài)改變時(shí)產(chǎn)生中斷。
max7319是i2c端口擴展器，帶有8路漏極開(kāi)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(shí)瞬態(tài)改變才會(huì )產(chǎn)生中斷請求。

讀取max7319后，變化標志寄存器可以識別任何發(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。

當任一端口輸入變化時(shí)，對應端口的瞬態(tài)標志位置位；即使輸入返回原始狀態(tài)，該標志位仍保持不變。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(xún)方式檢測低優(yōu)先級輸入。瞬態(tài)標志位表明最后一次訪(fǎng)問(wèn)后，輸入端口是否發(fā)生變化。