摘要：本文介绍了真空管荧光显示器(VFD)的参考设计，并列举了一些与该技术相关的应用。参考设计说明了如何使用MAX15005电源控制器构建反激拓扑，以获得真空管荧光显示器所需的多路输出电压。
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。
AVX是AVX Corporation的注册商标。
Maxim是Maxim Integrated Products, Inc.的注册商标。
Murata是Murata Manufacturing Co., Ltd.的注册商标。
NXP是NXP Semiconductors的注册商标。
TDK是TDK Corporation的注册商标。
Vishay是Vishay Intertechnology, Inc.的注册商标。
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