大功率數(shù)碼管驅(qū)動電路的優(yōu)化設計

摘要：對大功率數(shù)碼管(LED)的功耗進行了分析和計算，指出大功率LED不能簡單地用七段譯碼器進行驅(qū)動，而必須進行專門設計。以5英寸數(shù)碼管為例，對其譯碼驅(qū)動電路進行了對比研究，指出在各種驅(qū)動電路中，基于數(shù)字芯片MC1413的驅(qū)動電路是最優(yōu)設計。設計了實驗電路，實驗結(jié)果驗證了理論分析的正確性和所提出方法的可行性。
關鍵詞：大功率數(shù)碼管；驅(qū)動電路；MC1413；優(yōu)化設計

0 引言
    數(shù)字系統(tǒng)大多需要進行數(shù)碼顯示，而顯示器是進行數(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中，經(jīng)常采用大功率數(shù)碼進行顯示器。然而，大功率數(shù)碼管驅(qū)動困難，系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性和抗干擾能力較差。同時，系統(tǒng)的過壓、過流和瞬間掉電保持需進行專門的電路設計，而使系統(tǒng)更加復雜，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)碼管的廣泛應用。本文針對大功率數(shù)碼管的驅(qū)動問題，以5英寸數(shù)碼管為例，對其功耗進行了分析和計算，設計了各種譯碼驅(qū)動電路并進行了對比研究，對驅(qū)動電路進行了優(yōu)化設計。進行了樣機設計，實驗結(jié)果驗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)動電路
1．1 典型的譯碼驅(qū)動電路
    數(shù)碼管按照其工作原理的不同有共陰和共陽兩種，對應共陰和共陽兩種常用的譯碼器，而對于高壓大電流數(shù)碼管的驅(qū)動，由于常用的譯碼器無法滿足其驅(qū)動要求，因此，一般采用共陽數(shù)碼管并采用對應的共陽譯碼器驅(qū)動，例如常用的74247譯碼器，其驅(qū)動電路如圖1所示。

    其中VCC接芯片系統(tǒng)電源(一般為+5 V)，VDD另接獨立的高電壓大電流電源，例如，對于5英寸數(shù)碼管，其驅(qū)動電壓大約為15 V。該電路從原理上來看是正確的，但是穩(wěn)定性極差，特別是長期連續(xù)工作時性能更不穩(wěn)定，原因在于譯碼器74247無法滿足大功率數(shù)碼管的驅(qū)動要求。[!--empirenews.page--]
1．2 驅(qū)動功率計算
    下面以5英寸共陽數(shù)碼管為例，進行驅(qū)動功率的計算。假設一數(shù)碼管用于某一秒電路個位的顯示，并設該數(shù)碼管每一段的正常工作電流為ID。正常工作時，若其顯示數(shù)字“0”，則應有其中6段被點亮，顯然，此時1 s之內(nèi)數(shù)碼管的工作電流為6ID，類似的可以計算出顯示其他數(shù)字時的工作電流，其工作電流波形如圖2所示。

    由圖2可以計算出數(shù)碼管工作電流的平均值為：
   
    查詢相關數(shù)據(jù)手冊便可知每一種型號數(shù)碼管每一段的正常工作電流ID，由式(1)和式(2)便可計算出該數(shù)碼管工作于秒電路個位時的平均電流和有效電流。以S50013B型5英寸共陽數(shù)碼管為例，查設計手冊可知，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位時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，使一個位于秒電路個位的S50013B型5英寸共陽數(shù)碼管正常工作，電源VDD需提供的電流是313．2 mA。表面看來，只要電源VDD的功率足夠大，圖1所示的電路便可正常工作。其實不然，仔細分析圖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也全部灌入到譯碼驅(qū)動器74247內(nèi)部。一片譯碼驅(qū)動器74247正常工作時可承受的灌電流能力是40 mA，而一個位于秒電路個位的S50013B型5英寸共陽數(shù)碼管正常工作時，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，不能簡單地用7段譯碼器進行驅(qū)動，而應進行專門設計。
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2 譯碼驅(qū)動電路設計
    根據(jù)以上分析，大功率數(shù)碼管的驅(qū)動電路必須進行功率放大設計。
    三極管共射放大電路是常見的功率放大電路。同時，為了加強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，應該對數(shù)碼管的每一段驅(qū)動電流均進行放大，以數(shù)碼管的一段(a段)為例，其驅(qū)動放大電路如圖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)動電路具有較大的電流放大倍數(shù)，同時，具有較好的抗干擾性。但是，由于一個數(shù)碼管有7段，因此一個大功率數(shù)碼管需要7個如圖3所示的放大電路，勢必增加系統(tǒng)的復雜性，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驅(qū)動大功率數(shù)碼管，選用共陰譯碼器(如74248)和共陰型數(shù)碼管較為方便。
    為了簡化電路設計，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)動電流?？芍苯域?qū)動較大功率的共陰型數(shù)碼管。該方案雖然電路設計較為簡單，但是，采用CD4511譯碼時數(shù)碼管顯示的數(shù)字“6”和“9”不夠美觀。
    為了實現(xiàn)大功率數(shù)碼管驅(qū)動電流的放大，同時也使數(shù)碼管顯示的數(shù)字美觀規(guī)范，本文提出一款基于驅(qū)動器MC1413的大功率數(shù)碼管驅(qū)動電路設計。
    MC1413是高耐壓、大電流達林頓陳列反相驅(qū)動器，由7個硅NPN達林頓管組成，每一對達林頓都串聯(lián)一個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準邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。MC1413輸出還可以在高負載電流并行運行，因此，接口電路連接比較簡單。

    采用MC1413的大功率數(shù)碼管驅(qū)動電路原理圖如圖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，由于MC1413工作電壓高，工作電流大，灌電流可達500 mA，并且能夠在關斷時承受50V的電壓，故可直接驅(qū)動功率數(shù)碼管而無需進行電流放大，從而既保證了驅(qū)動功率的要求，也大大簡化了電路設計，提高了系統(tǒng)的可靠性。
    可見，采用圖4所示的MC1413驅(qū)動電路，電路結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定可靠，是驅(qū)動大功率數(shù)碼管的理想器件。

3 結(jié)語
    這里設計了一款計時電路，實現(xiàn)秒、分和小時的計時。秒發(fā)生電路由NE555實現(xiàn)，采用了6只S50013B型5英寸共陽數(shù)碼管分別進行秒、分和小時的數(shù)字顯示，譯碼驅(qū)動電路采用大功率驅(qū)動電路，由MC1413實現(xiàn)5英寸數(shù)碼管的驅(qū)動。經(jīng)長時間連續(xù)試驗測試，該樣機電路工作穩(wěn)定可靠，電路芯片發(fā)熱正常。為了進行對比研究，將數(shù)碼管改由共陰譯碼器74248直接驅(qū)動。經(jīng)長時間連續(xù)試驗測試，此時樣機電路工作極不穩(wěn)定，電路芯片，尤其是74248嚴重發(fā)熱。根據(jù)以上實驗結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：大功率數(shù)碼管不能簡單地用七段譯碼器直接進行驅(qū)動，其驅(qū)動電路必須進行功率放大設計；采用MC1413驅(qū)動大功率數(shù)碼管，電路結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定可靠，是驅(qū)動大功率數(shù)碼管的理想器件。