参考电路 4363

汽车中的真空管荧光显示器(VFD)参考设计



引言

该参考设计提供了一个能够获得真空管荧光显示器(VFD)供电电源的解决方案,非常适合汽车应用。设计包括完整的原理图和材料清单(BOM),并给出了负载/电源调节率的测试数据及其它测试结果。

VFD设计基础

真空管荧光显示器(VFD)是消费类电子设备中一种常见的显示器,广泛用于录像机、车载收音机、微波炉等。与液晶显示器(LCD)不同,VFD发光亮度较强,而且对比度比较清晰,能够方便地支持不同颜色的显示单元。该项技术与阴极射线和阴极管有关,与LCD不同,大多数VFD能够在零度以下保持有效工作,非常适合寒冷气候下的户外设备。

VFD包含三个基本电极—阴极灯丝、阳极(磷光物质)和栅极—一个高真空玻璃壳。阴极由钨丝、碱土金属氧化物涂层(发射电子)组成。栅极为金属丝,用于控制并传输阴极发射的电子。阳极为到电极,镀有磷光物质,用于显示字符、图表或符号。阴极发射的电子在栅极和阳极之间的正向电压作用下加速,撞击阳极后,电子激发磷发光。通过控制栅极和阳极的正压或负压能够获得所要求的亮度模板。阳极和栅极需要直流稳定电压供电,以避免显示器闪烁。为了驱动大型VFD,阴极需要交流驱动,以避免亮度偏差,例如,在显示器两侧出现不同的亮度等级。推荐使用20kHz至200kHz范围的工作频率,以避免可闻噪声和闪烁。

设计规格和电路

本参考设计对MAX15005电源控制器进行优化设计,可理想用于汽车和VFD设备。应用电路设计满足以下规格:

  • VIN:9V至16V连续变化,5.5V至40V瞬变
  • VANODE:77VDC ±10%,18mA (典型值)、58mA (最大值)
  • VGRID:55VDC ±10%,14mA (典型值)、41mA (最大值)
  • VFILAMENT:3.1VAC ±10%,350mA (典型值)、385mA (最大值)
  • 输出纹波:77V:1VP-P;55V:0.5VP-P
  • 电源调节率,VIN = 9V至16V:
    VANODE = ±3%
    VGRID = ±3%
    VFILAMENT = ±5%
  • 负载调节率:(请参考以下电源/负载调节率数据部分)
  • 开关频率:22kHz
  • 温度:-40°C至125°C

引言

该参考设计提供了一个能够获得真空管荧光显示器(VFD)供电电源的解决方案,非常适合汽车应用。设计包括完整的原理图和材料清单(BOM),并给出了负载/电源调节率的测试数据及其它测试结果。

VFD设计基础

真空管荧光显示器(VFD)是消费类电子设备中一种常见的显示器,广泛用于录像机、车载收音机、微波炉等。与液晶显示器(LCD)不同,VFD发光亮度较强,而且对比度比较清晰,能够方便地支持不同颜色的显示单元。该项技术与阴极射线和阴极管有关,与LCD不同,大多数VFD能够在零度以下保持有效工作,非常适合寒冷气候下的户外设备。

VFD包含三个基本电极—阴极灯丝、阳极(磷光物质)和栅极—一个高真空玻璃壳。阴极由钨丝、碱土金属氧化物涂层(发射电子)组成。栅极为金属丝,用于控制并传输阴极发射的电子。阳极为到电极,镀有磷光物质,用于显示字符、图表或符号。阴极发射的电子在栅极和阳极之间的正向电压作用下加速,撞击阳极后,电子激发磷发光。通过控制栅极和阳极的正压或负压能够获得所要求的亮度模板。阳极和栅极需要直流稳定电压供电,以避免显示器闪烁。为了驱动大型VFD,阴极需要交流驱动,以避免亮度偏差,例如,在显示器两侧出现不同的亮度等级。推荐使用20kHz至200kHz范围的工作频率,以避免可闻噪声和闪烁。

设计规格和电路

本参考设计对MAX15005电源控制器进行优化设计,可理想用于汽车和VFD设备。应用电路设计满足以下规格:

  • VIN:9V至16V连续变化,5.5V至40V瞬变
  • VANODE:77VDC ±10%,18mA (典型值)、58mA (最大值)
  • VGRID:55VDC ±10%,14mA (典型值)、41mA (最大值)
  • VFILAMENT:3.1VAC ±10%,350mA (典型值)、385mA (最大值)
  • 输出纹波:77V:1VP-P;55V:0.5VP-P
  • 电源调节率,VIN = 9V至16V:
    VANODE = ±3%
    VGRID = ±3%
    VFILAMENT = ±5%
  • 负载调节率:(请参考以下电源/负载调节率数据部分)
  • 开关频率:22kHz
  • 温度:-40°C至125°C

满足上述规格的电路原理图如图1所示,该设计中,MAX15005B配置为反激架构,以获得三路输出电压。


图1. MAX15005B反激转换器原理图,FSW = 22kHz。

表1列出了参考设计的材料清单(BOM)。

表1. VFD参考设计材料清单

Designator Value Description Part Number Footprint Manufacturer Quantity
C1, C11, C12 10nF, 100V Capacitor C2012X7R2A103K 0805 TDK® 3
C2, C7 270pF, 100V Capacitor GRM188R72A271KA01D 0805 Murata® 2
C3, C5 100nF, 100V Capacitor C2012X7R2A104K 0805 TDK 2
C4 3.3nF, 25V Capacitor 08053A332FAT2A 0805 AVX® Corporation 1
C6, C8 1µF, 50V Capacitor C3216X7R1H105K 1206 TDK 2
C9 100pF, 100V Capacitor GRM2165C2A101JA01D 0805 Murata 1
C10 330µF, 35V Capacitor SMD TDK 1
C13, C14, C15, C16, C17, C18 2.2µF, 100V Capacitor GRM32ER72A225KA35L 1210 Murata 6
D1 3A, 400V Diode S3G SMC Vishay® 1
D2, D3, D4 1A, 200V Diode ES1D SMA Vishay 3
Q1 11A, 55V n-FET BUK92150-55A NXP® 1
R1 32.4kΩ Resistor SMD, 5%, 0.125W 0805 KOA 1
R2, R9, R17 100kΩ Resistor SMD, 5%, 0.125W 0805 KOA 3
R3 21kΩ Resistor SMD, 1%, 0.125W 0805 KOA 1
R4, R6 100kΩ Resistor SMD, 1%, 0.250W 1206 KOA 2
R5 1.62kΩ Resistor SMD, 1%, 0.125W 0805 KOA 1
R7 1.43kΩ Resistor SMD, 1%, 0.125W 0805 KOA 1
R8 10kΩ Resistor SMD, 5%, 0.125W 0805 KOA 1
R10 499Ω Resistor SMD, 1%, 0.125W 0805 KOA 1
R11 100Ω Resistor SMD, 5%, 0.125W 0805 KOA 1
R12 1kΩ Resistor SMD, 1%, 0.333W 1210 KOA 1
R13 0.06Ω Resistor SMD, 1%, SL1 SL1 KOA 1
R14 33kΩ Resistor SMD, 5%, 0.125W 0805 KOA 1
R15, R16 1.0Ω Resistor SMD, 1%, 0.250W 1206 KOA 2
T1 54µH Transformer DCT20EFD-UxxSOA5 SMD TDK 1
Z1 9.1V Zener diode 1SMB5924BT SMB Vishay 1
IC1 MAX15005B Boost controller MAX15005BAUE+ 16TSSOP MAXIM® 1

 

测试波形

以下测试结果源于对评估电路板的测量。

测试条件:VIN = 14V、RANODE = 3.3kΩ、RGRID = 3.3kΩ、RFILAMENT = 8Ω。
图2.
Ch1:MOSFET Q1漏极电压(VDRAIN);Ch2:R13两端的电流检测电压(VISENSE)。

 

测试条件:VIN = 14V、RANODE = 3.3kΩ、RGRID = 3.3kΩ、RFILAMENT = 8Ω。
图3.
Ch1:阳极输出电压纹波;Ch2:栅极输出电压纹波。

 

测试条件:VIN = 14V、RANODE = 3.3kΩ、RGRID = 3.3kΩ、RFILAMENT = 8Ω。
图4.
Ch1:灯丝正极电压(VF1);Ch2:灯丝负极电压(VF2)。

 

测试条件:VIN = 14V、RANODE = 3.3kΩ、RGRID = 3.3kΩ、RFILAMENT = 8Ω。
图5.
M:灯丝有效电压(VF1 - VF2)。

电源/负载调节率数据

下表给出了不同输入电压范围和负载条件下,从电路板上测试得到的电源/负载调节率数据。

VIN I77 (mA) I55 (mA) V77 (VDC) V55 (VDC) VF (VRMS)
9.0 7.7 5.5 77.0 55.2 2.41
  7.7 16.7 77.0 55.0 2.64
  7.7 44.0 77.0 54.8 3.03
  23.0 5.5 77.0 55.4 2.82
  23.0 16.7 77.0 55.2 2.97
  23.0 44.0 77.0 55.0 3.24
  61.6 5.5 77.0 55.8 3.35
  61.6 16.7 77.0 55.6 3.43
  61.6 44.0 77.0 55.4 3.62
14.0 7.7 5.5 77.0 55.2 2.52
  7.7 16.7 77.0 55.0 2.75
  7.7 44.0 77.0 54.8 3.14
  23.0 5.5 77.0 55.4 2.80
  23.0 16.7 77.0 55.2 3.08
  23.0 44.0 77.0 55.0 3.36
  61.6 5.5 77.0 55.8 3.50
  61.6 16.7 77.0 55.7 3.59
  61.6 44.0 77.0 55.4 3.79
16.0 7.7 5.5 77.0 55.2 2.63
  7.7 16.7 77.0 55.0 2.86
  7.7 44.0 77.0 54.8 3.25
  23.0 5.5 77.0 55.4 3.04
  23.0 16.7 77.0 55.2 3.20
  23.0 44.0 77.0 55.0 3.49
  61.6 5.5 77.0 54.8 3.25
  61.6 16.7 77.0 55.0 3.49
  61.6 44.0 77.0 55.4 3.92

 

结论

本应用笔记提供的电源参考设计用于驱动典型的真空管荧光显示器,非常适合汽车应用。按照文中列出的规格要求构建电路,并对电路进行测试。本文给出了电路原理图、BOM和典型测试波形。

 
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