リファレンス回路4363

車載アプリケーション向け蛍光表示管ディスプレイ(VFD)のリファレンスデザイン


要約:このアプリケーションノートは蛍光表示管ディスプレイ(VFD)とその技術にとって理想的ないくつかのアプリケーションについて説明します。さらにこのリファレンスデザインでは、蛍光表示管ディスプレイ用に複数の出力電圧を得るためのフライバックトポロジーでのパワーサプライコントローラMAX15005の使い方を示します。

はじめに

このリファレンスデザインは、車載アプリケーションにおける蛍光表示管ディスプレイ(VFD)パワーサプライに必要なドライブ電圧を得るための方法を示します。このデザインは全体の回路図を含み、部品表(BOM)、負荷/ラインレギュレーション測定、およびテスト結果を示します。

VFDの基本

蛍光表示管ディスプレイ(VFD)は、ビデオカセットレコーダ、カーラジオ、そして電子レンジなどの家電製品で一般的に使用されるディスプレイの一種です。液晶ディスプレイ(LCD)と異なり、VFDは明確なコントラストで非常に明るい光を発し、様々な色の表示の要素をサポートすることができます。この技術はブラウン管とニキシー管の両方に関連しています。しかしながら、LCDとは異なり、ほとんどのVFDは氷点下の気温で正常に機能し続けるため、寒冷気候における屋外機器に最適です。

VFDはガラス管の中の高真空状態のもとで、カソードフィラメント、アノード(蛍光体)、およびグリッドの3つの基本的な電極で構成されています。カソードはアルカリ土類金属の酸化物を塗布した細いタングステンワイヤから成り立ち、電子を放出します。グリッドは薄い金属メッシュで、カソードから放出される電子をコントロールし拡散します。アノードは蛍光体が塗布されており、電子を伝導させ、文字、アイコン、記号を表示します。カソードから放出された電子は、グリッドとアノードの両方に印加された正電位によって加速されます。アノードで加速された電子が蛍光体に衝突することで、光を放出します。所望の表示パターンはグリッドおよびアノードそれぞれに正または負の電位を制御することによって実現することができます。アノードとグリッドはディスプレイのちらつきを避けるために安定化されたDC電圧を必要とします。大きなVFDを駆動するために、カソードは明るさの傾き、すなわち、ディスプレイの一方から他方への明るさの相違を防ぐためにAC駆動を必要とします。可聴ノイズとちらつきを避けるために20kHz~200kHzの周波数レンジが推奨されます。

設計仕様とセットアップ

このリファレンスデザインは自動車およびVFDアプリケーション向けに最適化されたパワーサプライコントローラのMAX15005を特長としています。このアプリケーション回路は以下の仕様を満たすように設計されています。

  • VIN:連続的な9V~16V、5.5V~40Vの過渡電圧
  • VANODE:77VDC ±10%、18mA (typ)、58mA (max)の場合
  • VGRID:55VDC ±10%、14mA (typ)、41mA (max)の場合
  • VFILAMENT:3.1VAC ±10%、350mA (typ)、385mA (max)の場合
  • アウトプットリップル:77V:1VP-P、55V:0.5VP-P
  • ラインレギュレーション、VIN = 9V~16V:
    VANODE = ±3%
    VGRID = ±3%
    VFILAMENT = ±5%
  • ロードレギュレーション:(以下の「ライン/ロードレギュレーションデータ」の項を参照)
  • スイッチング周波数:22kHz
  • 温度範囲:-40℃~125℃
上記の仕様を満たす回路図を図1に示します。この設計では、3つの出力電圧を得るためにMAX15005Bをフライバック構成として使用します。

 Figure 1: Schematic of the MAX15005B Fly back converter for FSW = 22kHz.
図1. FSW = 22kHzのMAX15005Bフライバックコンバータ回路図

このリファレンスデザインの部品表(BOM)を表1に示します。

表1. VFDリファレンスデザイン部品表
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

測定波形

以下の測定結果は回路の評価基板より得られました。

測定条件: VIN = 14V、RANODE = 3.3kΩ、RGRID = 3.3kΩ、RFILAMENT = 8Ω
Figure 02.
Ch1:MOSFET Q1ドレイン電圧(VDRAIN)、Ch2:R13にかかる電流検出電圧(VISENSE).


測定条件:VIN = 14V、RANODE = 3.3kΩ、RGRID = 3.3kΩ、RFILAMENT = 8Ω
Figure 03.
Ch1:アノード出力電圧リップル、Ch2:グリッド出力電圧リップル


測定条件:VIN = 14V、RANODE = 3.3kΩ、RGRID = 3.3kΩ、RFILAMENT = 8Ω
Figure 04.
Ch1:フィラメント陽極電圧(VF1)、Ch2:フィラメント陰極電圧(VF2)


測定条件:VIN = 14V、RANODE = 3.3kΩ、RGRID = 3.3kΩ、RFILAMENT = 8Ω
Figure 05.
M:実効フィラメント電圧(VF1 - VF2)

ライン/ロードレギュレーションデータ

以下のライン/ロードレギュレーションデータは入力電圧範囲および負荷により評価基板から得られました。

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

結論

このアプリケーションノートでは車載アプリケーション向けの標準的な蛍光表示管ディスプレイのパワーサプライリファレンスデザインを紹介しています。設計された回路を仕様通りに作り、回路を評価しました。回路図、BOM、および代表的な波形を示しました。

AVXはAVX Corporationの登録商標です。

MaximはMaxim Integrated Products, Inc.の登録商標です。

NXPはNXP B.V.の登録商標です。

TDKはTDK Corporationの登録サービスマークおよび登録商標です。

VishayはVishay Intertechnology, Inc.の登録商標です。



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