大功率數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘要：對(duì)大功率數(shù)碼管(LED)的功耗進(jìn)行了分析和計(jì)算，指出大功率LED不能簡(jiǎn)單地用七段譯碼器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，而必須進(jìn)行專門設(shè)計(jì)。以5英寸數(shù)碼管為例，對(duì)其譯碼驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了對(duì)比研究，指出在各種驅(qū)動(dòng)電路中，基于數(shù)字芯片MC1413的驅(qū)動(dòng)電路是最優(yōu)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)電路，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性和所提出方法的可行性。
關(guān)鍵詞：大功率數(shù)碼管；驅(qū)動(dòng)電路；MC1413；優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引言
    數(shù)字系統(tǒng)大多需要進(jìn)行數(shù)碼顯示，而顯示器是進(jìn)行數(shù)碼顯示不可或缺的組成部分。各種節(jié)日慶典、文娛等戶外大型活動(dòng)中，經(jīng)常采用大功率數(shù)碼進(jìn)行顯示器。然而，大功率數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)困難，系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性和抗干擾能力較差。同時(shí)，系統(tǒng)的過(guò)壓、過(guò)流和瞬間掉電保持需進(jìn)行專門的電路設(shè)計(jì)，而使系統(tǒng)更加復(fù)雜，也降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，從而大大限制了數(shù)碼管的廣泛應(yīng)用。本文針對(duì)大功率數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)問(wèn)題，以5英寸數(shù)碼管為例，對(duì)其功耗進(jìn)行了分析和計(jì)算，設(shè)計(jì)了各種譯碼驅(qū)動(dòng)電路并進(jìn)行了對(duì)比研究，對(duì)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。進(jìn)行了樣機(jī)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性和所提出方法的可行性。

1 數(shù)碼管的譯碼驅(qū)動(dòng)電路
1．1 典型的譯碼驅(qū)動(dòng)電路
    數(shù)碼管按照其工作原理的不同有共陰和共陽(yáng)兩種，對(duì)應(yīng)共陰和共陽(yáng)兩種常用的譯碼器，而對(duì)于高壓大電流數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)，由于常用的譯碼器無(wú)法滿足其驅(qū)動(dòng)要求，因此，一般采用共陽(yáng)數(shù)碼管并采用對(duì)應(yīng)的共陽(yáng)譯碼器驅(qū)動(dòng)，例如常用的74247譯碼器，其驅(qū)動(dòng)電路如圖1所示。

    其中VCC接芯片系統(tǒng)電源(一般為+5 V)，VDD另接獨(dú)立的高電壓大電流電源，例如，對(duì)于5英寸數(shù)碼管，其驅(qū)動(dòng)電壓大約為15 V。該電路從原理上來(lái)看是正確的，但是穩(wěn)定性極差，特別是長(zhǎng)期連續(xù)工作時(shí)性能更不穩(wěn)定，原因在于譯碼器74247無(wú)法滿足大功率數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)要求。[!--empirenews.page--]
1．2 驅(qū)動(dòng)功率計(jì)算
    下面以5英寸共陽(yáng)數(shù)碼管為例，進(jìn)行驅(qū)動(dòng)功率的計(jì)算。假設(shè)一數(shù)碼管用于某一秒電路個(gè)位的顯示，并設(shè)該數(shù)碼管每一段的正常工作電流為ID。正常工作時(shí)，若其顯示數(shù)字“0”，則應(yīng)有其中6段被點(diǎn)亮，顯然，此時(shí)1 s之內(nèi)數(shù)碼管的工作電流為6ID，類似的可以計(jì)算出顯示其他數(shù)字時(shí)的工作電流，其工作電流波形如圖2所示。

    由圖2可以計(jì)算出數(shù)碼管工作電流的平均值為：
   
    查詢相關(guān)數(shù)據(jù)手冊(cè)便可知每一種型號(hào)數(shù)碼管每一段的正常工作電流ID，由式(1)和式(2)便可計(jì)算出該數(shù)碼管工作于秒電路個(gè)位時(shí)的平均電流和有效電流。以S50013B型5英寸共陽(yáng)數(shù)碼管為例，查設(shè)計(jì)手冊(cè)可知，每一段的正常工作電流為ID為60 mA。
    由式(1)和式(2)知，該數(shù)碼管工作于秒電路個(gè)位時(shí)的平均電流和有效電流分別為300 mA和313．2 mA。
1．3 穩(wěn)定性分析
    由圖1的典型驅(qū)動(dòng)電路可知，數(shù)碼管正常工作所需的功率由外電源VDD提供，例如，使一個(gè)位于秒電路個(gè)位的S50013B型5英寸共陽(yáng)數(shù)碼管正常工作，電源VDD需提供的電流是313．2 mA。表面看來(lái)，只要電源VDD的功率足夠大，圖1所示的電路便可正常工作。其實(shí)不然，仔細(xì)分析圖1的工作原理，不難看出，數(shù)碼管每一段的工作電流雖然均由電源VDD提供，但是該工作電流同時(shí)也全部灌入到譯碼驅(qū)動(dòng)器74247內(nèi)部。一片譯碼驅(qū)動(dòng)器74247正常工作時(shí)可承受的灌電流能力是40 mA，而一個(gè)位于秒電路個(gè)位的S50013B型5英寸共陽(yáng)數(shù)碼管正常工作時(shí)，灌入芯片74247的平均電流和有效電流分別為300 mA和313．2 mA，均遠(yuǎn)大于芯片74247的灌電流承受能力。
    可見，大功率數(shù)碼管，如S50013B型5英寸數(shù)碼管，不能簡(jiǎn)單地用7段譯碼器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，而應(yīng)進(jìn)行專門設(shè)計(jì)。
[!--empirenews.page--]
2 譯碼驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
    根據(jù)以上分析，大功率數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)電路必須進(jìn)行功率放大設(shè)計(jì)。
    三極管共射放大電路是常見的功率放大電路。同時(shí)，為了加強(qiáng)電路的抗干擾性和穩(wěn)定性，三極管放大電路與光耦隔離電路結(jié)合起來(lái)使用是較為理想的選擇?？紤]到大功率數(shù)碼管每一段的工作電流均比較大，因此，應(yīng)該對(duì)數(shù)碼管的每一段驅(qū)動(dòng)電流均進(jìn)行放大，以數(shù)碼管的一段(a段)為例，其驅(qū)動(dòng)放大電路如圖3所示。

    由于光耦不僅具有隔離作用，還具有一定的電流放大功能，因此圖3所示的放大驅(qū)動(dòng)電路具有較大的電流放大倍數(shù)，同時(shí)，具有較好的抗干擾性。但是，由于一個(gè)數(shù)碼管有7段，因此一個(gè)大功率數(shù)碼管需要7個(gè)如圖3所示的放大電路，勢(shì)必增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，從而大大降低系統(tǒng)的可靠性。需要指出的是，采用三極管光耦放大電路來(lái)驅(qū)動(dòng)大功率數(shù)碼管，選用共陰譯碼器(如74248)和共陰型數(shù)碼管較為方便。
    為了簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，也可采用CMOS系列的譯碼器CD4511。它具有BCD轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制、7段譯碼及較大的驅(qū)動(dòng)電流?？芍苯域?qū)動(dòng)較大功率的共陰型數(shù)碼管。該方案雖然電路設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，但是，采用CD4511譯碼時(shí)數(shù)碼管顯示的數(shù)字“6”和“9”不夠美觀。
    為了實(shí)現(xiàn)大功率數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電流的放大，同時(shí)也使數(shù)碼管顯示的數(shù)字美觀規(guī)范，本文提出一款基于驅(qū)動(dòng)器MC1413的大功率數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。
    MC1413是高耐壓、大電流達(dá)林頓陳列反相驅(qū)動(dòng)器，由7個(gè)硅NPN達(dá)林頓管組成，每一對(duì)達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè)2．7 kΩ的基極電阻，在5 V的工作電壓下它能與TTL和CMOS電路直接相連，可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來(lái)處理的數(shù)據(jù)。MC1413輸出還可以在高負(fù)載電流并行運(yùn)行，因此，接口電路連接比較簡(jiǎn)單。

    采用MC1413的大功率數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖4所示。圖中VCC接5 V的芯片電壓，VDD接數(shù)碼管的工作電源電壓，例如供5英寸共陽(yáng)數(shù)碼管的15 V電壓。由于采用的是74248譯碼器，與CD4511譯碼器相比，數(shù)碼管顯示的數(shù)字比較美觀。同時(shí)，由于MC1413工作電壓高，工作電流大，灌電流可達(dá)500 mA，并且能夠在關(guān)斷時(shí)承受50V的電壓，故可直接驅(qū)動(dòng)功率數(shù)碼管而無(wú)需進(jìn)行電流放大，從而既保證了驅(qū)動(dòng)功率的要求，也大大簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性。
    可見，采用圖4所示的MC1413驅(qū)動(dòng)電路，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠，是驅(qū)動(dòng)大功率數(shù)碼管的理想器件。

3 結(jié)語(yǔ)
    這里設(shè)計(jì)了一款計(jì)時(shí)電路，實(shí)現(xiàn)秒、分和小時(shí)的計(jì)時(shí)。秒發(fā)生電路由NE555實(shí)現(xiàn)，采用了6只S50013B型5英寸共陽(yáng)數(shù)碼管分別進(jìn)行秒、分和小時(shí)的數(shù)字顯示，譯碼驅(qū)動(dòng)電路采用大功率驅(qū)動(dòng)電路，由MC1413實(shí)現(xiàn)5英寸數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)。經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)試驗(yàn)測(cè)試，該樣機(jī)電路工作穩(wěn)定可靠，電路芯片發(fā)熱正常。為了進(jìn)行對(duì)比研究，將數(shù)碼管改由共陰譯碼器74248直接驅(qū)動(dòng)。經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)試驗(yàn)測(cè)試，此時(shí)樣機(jī)電路工作極不穩(wěn)定，電路芯片，尤其是74248嚴(yán)重發(fā)熱。根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：大功率數(shù)碼管不能簡(jiǎn)單地用七段譯碼器直接進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，其驅(qū)動(dòng)電路必須進(jìn)行功率放大設(shè)計(jì)；采用MC1413驅(qū)動(dòng)大功率數(shù)碼管，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠，是驅(qū)動(dòng)大功率數(shù)碼管的理想器件。