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
详情介绍
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。
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。
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。
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。
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。