MAX7365：1MHz I2C 接口的 8x7 按鍵開關(guān)控制器

在電子設(shè)備中，按鍵開關(guān)的管理是一個常見且重要的需求。今天要介紹的 Maxim Integrated 的 MAX7365 就是一款專門用于按鍵開關(guān)管理的芯片，它能為微處理器提供高效的按鍵管理解決方案。

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一、產(chǎn)品概述

MAX7365 是一款 I2C 接口的外設(shè)，可管理多達(dá) 56 個按鍵開關(guān)。它能為每次按鍵和釋放操作生成鍵碼，便于實(shí)現(xiàn)多鍵輸入。而且，該芯片采用靜態(tài)監(jiān)測按鍵輸入的方式，確保低 EMI 運(yùn)行，支持金屬或電阻（碳）開關(guān)，最大電阻可達(dá) 5kΩ。

1. 低功耗設(shè)計(jì)

MAX7365 具備自動睡眠和自動喚醒功能，可進(jìn)一步降低設(shè)備功耗。自動睡眠功能會在可編程的睡眠超時(shí)時(shí)間后，將設(shè)備置于低功耗狀態(tài)（典型值為 1μA）；自動喚醒功能則能使設(shè)備在按鍵操作時(shí)從睡眠模式恢復(fù)到正常工作模式。

2. 按鍵事件處理

按鍵控制器會對按鍵和釋放事件進(jìn)行去抖處理，并維護(hù)一個先進(jìn)先出（FIFO）隊(duì)列，可存儲多達(dá) 16 個去抖后的按鍵事件。中斷（INT）輸出可配置為在按鍵發(fā)生時(shí)或按最大速率發(fā)出警報(bào)。

3. GPIO 功能

未使用的按鍵開關(guān)可作為通用輸入/輸出（GPIO）端口使用。此外，芯片還有五個額外的 GPIO 端口，這些端口可被編程為推挽或開漏輸出，并且在開漏模式下，可啟用片上 100kΩ 的上拉/下拉電阻。

4. 封裝與工作溫度范圍

芯片采用小巧的 2mm x 2mm 25 凸點(diǎn)晶圓級封裝（WLP），適用于手機(jī)、掌上電腦和其他便攜式消費(fèi)電子應(yīng)用。它能在 -40°C 至 +85°C 的擴(kuò)展溫度范圍內(nèi)正常工作。

二、產(chǎn)品優(yōu)勢與特點(diǎn)

1. 減輕處理器負(fù)載

• 可監(jiān)測多達(dá) 56 個按鍵。
• FIFO 隊(duì)列可存儲多達(dá) 16 個去抖后的按鍵事件。
• 可在 FIFO 級別或可定義的時(shí)間段結(jié)束時(shí)產(chǎn)生硬件中斷。

2. 延長電池壽命

• 自動睡眠和自動喚醒功能可將電流消耗降至最低，睡眠電流小于 1μA。

3. 節(jié)省電路板空間

• 采用小巧的 2mm x 2mm 低輪廓 25 凸點(diǎn) WLP 封裝。

4. 靈活的設(shè)計(jì)要求

• 工作電壓范圍為 1.62V 至 3.6V。
• 具備專有的鬼鍵檢測和消除功能。
• 按鍵去抖時(shí)間可由用戶在 1ms 至 31ms 之間配置。
• 低 EMI 設(shè)計(jì)采用靜態(tài)矩陣監(jiān)測。
• 有五個額外的 GPIO 端口，所有按鍵開關(guān)都可作為 GPIO 使用。
• 具備 1Mbps、5.5V 耐受的兩線串行接口，且兩線串行總線超時(shí)時(shí)間可選。

三、電氣特性

1. 絕對最大額定值

• (V_{DD}) 至 GND 的電壓范圍為 -0.3V 至 4.0V。
• ROW7 - ROW0、COL6 - COL0、GPIO4 - GPIO0 至 GND 的電壓范圍為 -0.3V 至 ((V_{DD}) + 0.3V)。
• SDA、SCL、INT 至 GND 的電壓范圍為 -0.3V 至 6V。
• ROW7 - ROW0、COL6 - COL0 至 GND 的直流電流最大為 1mA。
• GPIO4 - GPIO0 至 GND 的直流電流最大為 12mA。
• GND 電流最大為 12mA。

2. 工作參數(shù)

• 工作電源電壓范圍為 1.62V 至 3.6V。
• 按鍵按下時(shí)的工作電源電流為 34 + (25 x N) μA（N 為按下的按鍵數(shù)），所有 56 個按鍵開關(guān)打開時(shí)為 60 - 85 μA。
• 睡眠模式電源電流為 0.8 - 5 μA。
• 按鍵開關(guān)源電流為 20 - 36 μA。
• 按鍵開關(guān)源電壓為 0.42 - 0.55V，按鍵開關(guān)電阻最大為 5kΩ。
• 從關(guān)機(jī)狀態(tài)啟動的時(shí)間為 2 - 2.4ms，按鍵掃描頻率為 51 - 82kHz。
• 按鍵掃描功能的最大允許負(fù)載電容為 500pF。

四、引腳配置與功能

MAX7365 的引腳包括 ROW、COL 和 GPIO 等，不同引腳可作為按鍵矩陣輸入或通用輸入/輸出端口。例如，A1 引腳可作為 Row 6 輸入或通用輸入，D2 引腳為正電源電壓引腳，需通過一個 0.1μF 的電容盡可能靠近芯片旁路到 GND。

五、詳細(xì)功能描述

1. 按鍵掃描控制器

按鍵輸入采用靜態(tài)掃描方式，確保低 EMI 運(yùn)行。按鍵掃描控制器會對按鍵和釋放事件進(jìn)行去抖處理，并維護(hù)一個 FIFO 緩沖區(qū)。用戶可編程的按鍵去抖時(shí)間和自動睡眠定時(shí)器由時(shí)鐘衍生而來，時(shí)鐘又來自內(nèi)部振蕩器。按鍵重復(fù)和按鍵開關(guān)中斷的時(shí)間延遲基于按鍵去抖時(shí)間。只要不產(chǎn)生鬼鍵，同時(shí)按下的按鍵數(shù)量沒有限制。如果應(yīng)用中需要掃描的按鍵較少，未使用的按鍵開關(guān)端口可配置為 GPIO。

2. 寄存器描述

• Keys FIFO 寄存器（0x00）：包含按鍵 FIFO 的狀態(tài)信息以及去抖后的按鍵事件。
• Configuration 寄存器（0x01）：控制 I2C 總線超時(shí)功能、啟用按鍵釋放指示、啟用自動喚醒，并確定 INT 如何置為無效。
• Key - Switch Debounce 寄存器（0x02）：設(shè)置每個去抖周期的按鍵按下和釋放時(shí)間。
• Key - Switch Interrupt 寄存器（0x03）：包含中斷請求功能的設(shè)置信息以及 INT 輸出的狀態(tài)。
• Key - Switch Autorepeat 寄存器（0x05）：啟用或禁用按鍵自動重復(fù)功能，設(shè)置按鍵重復(fù)代碼進(jìn)入 FIFO 的時(shí)間延遲和頻率。
• Autosleep 寄存器（0x06）：使設(shè)備進(jìn)入睡眠模式以降低電流消耗。
• Key - Switch Array Size 寄存器（0x30）：設(shè)置按鍵開關(guān)陣列的行和列大小。

3. 睡眠模式與自動喚醒

在睡眠模式下，設(shè)備消耗的電流最小，開關(guān)矩陣電流源關(guān)閉。自動睡眠功能啟用后，若按鍵在一段時(shí)間內(nèi)無操作，設(shè)備將進(jìn)入睡眠模式，F(xiàn)IFO 數(shù)據(jù)會被保留。通過在 Configuration 寄存器（0x01）的 D7 位寫入 1 或按下按鍵，可使設(shè)備退出睡眠模式。按鍵操作可觸發(fā)自動喚醒功能，使設(shè)備進(jìn)入工作模式，且喚醒時(shí)的按鍵操作不會丟失。

4. FIFO 溢出

當(dāng) FIFO 滿（16 字節(jié)）且有額外事件發(fā)生時(shí)，會出現(xiàn) FIFO 溢出狀態(tài)。若禁用按鍵釋放功能，則 FIFO 滿時(shí)即出現(xiàn)溢出狀態(tài)。FIFO 溢出時(shí)，從 FIFO 緩沖區(qū)讀取的第一個字節(jié)為溢出字節(jié)（0x7F），原始 16 字節(jié)的事件數(shù)據(jù)順序會被保留，但后續(xù)事件可能會丟失。當(dāng) FIFO 滿時(shí)，若第 18 個按鍵事件為按鍵釋放，則 FIFO 溢出狀態(tài)會被清除。

5. GPIO 端口

芯片有五個 GPIO 端口，可作為邏輯輸入或輸出。每個 GPIO 端口在配置為開漏輸出時(shí)，具有上拉/下拉電阻，還可配置為高端開漏輸出。當(dāng)按鍵開關(guān)矩陣未使用某些 COL 和 ROW 引腳時(shí)，這些引腳也可配置為 GPIO。未使用的 GPIO 和既未配置為按鍵開關(guān)也未配置為 GPIO 的引腳應(yīng)連接到 GND。

六、串行接口

MAX7365 作為從設(shè)備，通過 I2C 兼容的兩線接口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。接口使用串行數(shù)據(jù)線（SDA）和串行時(shí)鐘線（SCL）實(shí)現(xiàn)主從設(shè)備之間的雙向通信。主設(shè)備（通常是微控制器）發(fā)起所有數(shù)據(jù)傳輸，并生成同步數(shù)據(jù)傳輸?shù)?SCL 時(shí)鐘。

1. 傳輸格式

每次傳輸由主設(shè)備發(fā)送的 START 條件開始，接著是設(shè)備的 7 位從地址加上 (R/W) 位、寄存器地址字節(jié)、一個或多個數(shù)據(jù)字節(jié)，最后是 STOP 條件。

2. 位傳輸與確認(rèn)

每個時(shí)鐘脈沖傳輸一個數(shù)據(jù)位，SDA 上的數(shù)據(jù)在 SCL 為高電平時(shí)必須保持穩(wěn)定。確認(rèn)位是第 9 位時(shí)鐘脈沖，接收方用它來確認(rèn)每個字節(jié)數(shù)據(jù)的接收。

3. 從地址

設(shè)備有 7 位長的從地址，分別為 0x70、0x72、0x74 或 0x76，由完整部件號的后綴決定。7 位從地址后的 (R/W) 位，低電平表示寫命令，高電平表示讀命令。

4. 總線超時(shí)

設(shè)備在兩線串行接口上具有 20ms（最?。┑目偩€超時(shí)功能，可防止在串行事務(wù)完成前 SCL 鎖定時(shí)，設(shè)備在讀取事務(wù)期間將 SDA I/O 保持為低電平?？偩€超時(shí)功能可通過寫入 Configuration 寄存器來啟用或禁用，在睡眠模式下，內(nèi)部振蕩器禁用，總線超時(shí)功能也不活躍。

七、應(yīng)用信息

1. 復(fù)位

在發(fā)生如 ESD 放電或微控制器復(fù)位等災(zāi)難性事件后，可使用 Configuration 寄存器（0x01）的 D7 位作為按鍵開關(guān)的軟件復(fù)位，使用 GPIO Global Configuration 寄存器（0x40）的 D4 位作為 GPIO 的軟件復(fù)位。

2. 鬼鍵消除

鬼鍵是按鍵開關(guān)矩陣固有的現(xiàn)象，當(dāng)矩陣矩形四個角上的三個開關(guān)同時(shí)按下時(shí)，第四個角上的開關(guān)（鬼鍵）也會看似被按下。MAX7365 采用專有方案檢測產(chǎn)生鬼鍵的三鍵組合，并忽略導(dǎo)致鬼鍵事件的第三個按鍵。因此，盡管不會報(bào)告鬼鍵，但許多三鍵組合在同時(shí)按下時(shí)會被有效忽略。需要三鍵組合的應(yīng)用（如 ）必須確保三個按鍵的布線位置不會構(gòu)成矩形的頂點(diǎn)。

3. 低 EMI 操作

芯片采用兩種技術(shù)來最小化按鍵開關(guān)布線產(chǎn)生的 EMI 輻射。一是在非睡眠模式下，開關(guān)矩陣兩端的電壓不超過 0.5V，降低了按鍵按下時(shí)任何節(jié)點(diǎn)的電壓擺動；二是不采用動態(tài)掃描按鍵的方式，而是監(jiān)測按鍵的電流消耗，僅在有按鍵按下時(shí)去抖電路才工作。

4. 開關(guān)導(dǎo)通電阻

芯片對按鍵開關(guān)或連接到 COL 和 ROW 的開關(guān)布線的電阻不敏感，最大電阻可達(dá) 5kΩ，因此與低成本的薄膜和導(dǎo)電碳開關(guān)兼容。

5. 熱插拔

當(dāng)設(shè)備斷電（(V_{DD}=0V)）時(shí)，INT、SCL 和 SDA 保持高阻抗，最高可承受 3.6V 的電壓；未供電時(shí)，I/O 端口保持高阻抗，最高可承受 4V 的電壓，因此可用于熱插拔應(yīng)用。

6. 電源考慮

設(shè)備的工作電源電壓范圍為 1.62V 至 3.6V，需使用一個 0.1μF 或更高的陶瓷電容將電源（(V_{DD})）旁路到 GND，并盡可能靠近芯片。

八、訂購信息

MAX7365 有不同的型號可供選擇，如 MAX7365EWA70+、MAX7365EWA72+、MAX7365EWA74+ 和 MAX7365EWA76+，它們的溫度范圍均為 -40°C 至 +85°C，采用 25 凸點(diǎn) WLP 封裝，I2C 地址分別為 0x70、0x72、0x74 和 0x76。

總的來說，MAX7365 是一款功能強(qiáng)大、設(shè)計(jì)靈活且低功耗的按鍵開關(guān)控制器，適用于各種需要按鍵管理的電子設(shè)備。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師們可以根據(jù)具體需求合理配置寄存器，充分發(fā)揮其優(yōu)勢，提高產(chǎn)品的性能和穩(wěn)定性。你在使用類似芯片時(shí)遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。