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。
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
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
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
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
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。
MurataはMurata Manufacturing Co., Ltd.の登録商標です。
NXPはNXP Semiconductorsの登録商標です。
TDKはTDK Corporationの登録商標です。
VishayはVishay Intertechnology, Inc.の登録商標です。
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