端口擴(kuò)展器降低折疊手機(jī)的成本及尺寸

引言

通用輸入輸出(GPIO)端口擴(kuò)展器IC能夠在小尺寸、低成本設(shè)計(jì)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(guān)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(qū)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?？商峁㏕SSOP最小封裝。

本應(yīng)用筆記討論了最新推出的端口擴(kuò)展器，這些器件功能與空間受限、成本敏感的折疊手機(jī)設(shè)計(jì)密切相關(guān)。

折疊式手機(jī)的內(nèi)部連接

折疊手機(jī)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(jī)布局是將大的顯示屏置于機(jī)蓋內(nèi)部，小顯示屏置于機(jī)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(jī)的空閑狀態(tài)及其它信息。機(jī)蓋周邊還有電話耳機(jī)，及其它音頻、振鈴電路。許多機(jī)蓋還設(shè)計(jì)了一個照相機(jī)模塊。

                

                     

          圖1. 采用柔性電路連接手機(jī)的兩部分，但折疊手機(jī)的轉(zhuǎn)軸是內(nèi)部連接的瓶頸。

在大多數(shù)機(jī)蓋配件中，顯示屏、攝像頭帶有單獨(dú)的、速率適當(dāng)(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(zhuǎn)軸從機(jī)蓋到主機(jī)體傳遞數(shù)據(jù)存在一定瓶頸。轉(zhuǎn)軸通常是由Mylar?和銅線制造的柔性電路，為確保在反復(fù)折疊使用后電路的可靠性，布線密度(即布線數(shù))必須有所限制。手機(jī)設(shè)計(jì)者須減少機(jī)蓋、機(jī)體之間的連線數(shù)，增加了設(shè)計(jì)難度。

GPIO端口擴(kuò)展器在折疊手機(jī)應(yīng)用中的優(yōu)勢

通常，設(shè)計(jì)折疊手機(jī)應(yīng)將連接機(jī)蓋、機(jī)體的柔性電路的銅線數(shù)降至最少。發(fā)展趨勢是將機(jī)蓋顯示屏和照相機(jī)之間的高速并行連接進(jìn)行串行轉(zhuǎn)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(jī)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(kuò)展器可以控制邏輯信號輸入、輸出、LED驅(qū)動器或電源控制開關(guān)。端口擴(kuò)展器通過I2C或SPI接口連接至主板，這些接口機(jī)蓋上可能已提供。
端口擴(kuò)展器也是一種低功耗設(shè)備，若想在手機(jī)設(shè)計(jì)中發(fā)揮作用，端口擴(kuò)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(biāo)準(zhǔn)的串行協(xié)議接口，諸如I2C或SPI接口。
中斷驅(qū)動，避免CPU輪詢造成較大功耗。
無需CPU干涉即可發(fā)揮主要功能(PWM、輸入監(jiān)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(qū)動

LED在手機(jī)中用于顯示屏和鍵盤背光(2至6個LED)、功能或狀態(tài)指示、RGB閃爍以及電池、信號強(qiáng)度指示。端口擴(kuò)展器可節(jié)省空間、功耗，并減少系統(tǒng)不必要的操作，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：單個LED的PWM亮度控制；高壓、大電流驅(qū)動，無需占用空間的分立晶體管；直接由電池供電的LED驅(qū)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(qū)動

漏極開路輸出端口易于驅(qū)動一個LED，該端口如同一個硬件輸出開關(guān)，利用一個串聯(lián)電阻(通常稱為鎮(zhèn)流電阻器)設(shè)置LED電流。端口擴(kuò)展器非常適合驅(qū)動額定電壓高于電源電壓的大電流端口，通過脈寬調(diào)制(PWM)信號調(diào)節(jié)LED亮度。例如，MAX6965 LED驅(qū)動器提供9路輸出，具有亮度控制和熱插入保護(hù)，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(dú)立的PWM輸出。

直接由電池供電時可為LED提供恒流端口驅(qū)動

比較理想的LED驅(qū)動方式是恒流源，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硬件輸出開關(guān)和限流鎮(zhèn)流電阻方案。恒流LED驅(qū)動器具有兩個主要優(yōu)點(diǎn)：

LED電流與LED正向?qū)妷夯騆ED電源電壓的變化無關(guān)。

降低LED電源電壓(接近于LED正向?qū)妷?，可以提高效率。

恒流驅(qū)動器允許較低的LED電源電壓，因?yàn)殒?zhèn)流電阻器兩端的電壓必須足夠高，以補(bǔ)償LED電源電壓和正向壓降的變化。例如，如果采用5V