端口扩展器降低折叠手机的成本及尺寸

摘要：
本文讨论了最新设计的端口扩展器功能，这些功能与空间受限、成本敏感的折叠手机设计密切相关。以MAX6966和 MAX6965驱动器为例论述了GPIO端口扩展器技术。

引言

通用输入输出(GPIO)端口扩展器IC能够在小尺寸、低成本设计中提供适量的I/O端口，能够提供8个或16个端口的芯片几乎是与其相关的I2C和SPI串行总线同时问世。早期器件的功能主要包括：带限流驱动的漏极开路输出或推挽输出，具有非闭锁瞬变检测的逻辑输入。可提供TSSOP最小封装。

本应用笔记讨论了最新推出的端口扩展器，这些器件功能与空间受限、成本敏感的折叠手机设计密切相关。

折叠式手机的内部连接

折叠手机的外壳类似于蛤壳，由折叠在一起的两个外壳组成(图1)。主体部分通常是较厚的一半，包括基带电路、射频电路，以及键盘、电池、天线等。常见的紧凑型手机布局是将大的显示屏置于机盖内部，小显示屏置于机盖外部，如图所示。外屏通常是半反射型LCD，在没有背光时也能看清，并一直打开，显示手机的空闲状态及其它信息。机盖周边还有电话耳机，及其它音频、振铃电路。许多机盖还设计了一个照相机模块。

图1. 采用柔性电路连接手机的两部分，但折叠手机的转轴是内部连接的瓶颈。

在大多数机盖配件中，显示屏、摄像头带有单独的、速率适当(Mbps)的并行接口总线，用于刷新显示屏和下载图片。然而，通过转轴从机盖到主机体传递数据存在一定瓶颈。转轴通常是由Mylar?和铜线制造的柔性电路，为确保在反复折叠使用后电路的可靠性，布线密度(即布线数)必须有所限制。手机设计者须减少机盖、机体之间的连线数，增加了设计难度。

GPIO端口扩展器在折叠手机应用中的优势

通常，设计折叠手机应将连接机盖、机体的柔性电路的铜线数降至最少。发展趋势是将机盖显示屏和照相机之间的高速并行连接进行串行转换。减少其他连线的简单方法是将信号线与控制线加以识别，并在机盖上直接合成，而不是通过柔性电路连接。小尺寸、低成本的端口扩展器可以控制逻辑信号输入、输出、LED驱动器或电源控制开关。端口扩展器通过I2C或SPI接口连接至主板，这些接口机盖上可能已提供。

端口扩展器也是一种低功耗设备，若想在手机设计中发挥作用，端口扩展器必须满足以下条件：

* 具有小尺寸封装(2mm x 2mm或3mm x 3mm薄型QFN封装)，以便放置在任何位置;

* 具有一个标准的串行协议接口，诸如I2C或SPI接口;

* 中断驱动，避免CPU轮询造成较大功耗;

* 无需CPU干涉即可发挥主要功能(PWM、输入监测);

* 工作在1.8V至3V低电源电压，工作电压甚至可低于1V;

* 电源电流损耗低于1μA。

LED驱动

LED在手机中用于显示屏和键盘背光(2至6个LED)、功能或状态指示、RGB闪烁以及电池、信号强度指示。端口扩展器可节省空间、功耗，并减少系统不必要的操作，主要表现在以下几个方面：单个LED的PWM亮度控制；高压、大电流驱动，无需占用空间的分立晶体管；直接由电池供电的LED驱动，降低成本，并消除了电荷泵或基于电感的升压电源的EMI。

漏极开路端口提供大电流驱动

漏极开路输出端口易于驱动一个LED，该端口如同一个硬件输出开关，利用一个串联电阻(通常称为镇流电阻器)设置LED电流。端口扩展器非常适合驱动额定电压高于电源电压的大电流端口，通过脉宽调制(PWM)信号调节LED亮度。例如，MAX6965 LED驱动器提供9路输出，具有亮度控制和热插入保护，采用3mm x 3mm的QFN封装。该器件提供9路额定电压为7V的漏极开路GPIO，可吸入50mA电流，提供独立的PWM输出。

直接由电池供电时可为LED提供恒流端口驱动

比较理想的LED驱动方式是恒流源，代替传统的硬件输出开关和限流镇流电阻方案。恒流LED驱动器具有两个主要优点：

* LED电流与LED正向导通电压或LED电源电压的变化无关;

* 降低LED电源电压(接近于LED正向导通电压)，可以提高效率。

恒流驱动器允许较低的LED电源电压，因为镇流电阻器两端的电压必须足够高，以补偿LED电源电压和正向压降的变化。例如，如果采用5V±5%的电源驱动一个白光LED，规定的正向导通电压为3.1V ±0.25V。镇流电阻两端电压的标称值为1.9V，变化范围为1.4V至2.4V。由此，电流的最大变化为±26%。如果电源电压降为4V ±3%，镇流电阻的标称电压为0.9V，其变化范围为0.53V至1.27V。这时，尽管电源容限小了，但电流的最大变化为±41%。

即使输出端口两端的压降高于所规定的最小值(图2)，恒流驱动器，如MAX6966 (10端口LE