大功率数码管驱动电路的优化设计

摘要：对大功率数码管(LED)的功耗进行了分析和计算，指出大功率LED不能简单地用七段译码器进行驱动，而必须进行专门设计。以5英寸数码管为例，对其译码驱动电路进行了对比研究，指出在各种驱动电路中，基于数字芯片MC1413的驱动电路是最优设计。设计了实验电路，实验结果验证了理论分析的正确性和所提出方法的可行性。
关键词：大功率数码管；驱动电路；MC1413；优化设计

0 引言
    数字系统大多需要进行数码显示，而显示器是进行数码显示不可或缺的组成部分。各种节日庆典、文娱等户外大型活动中，经常采用大功率数码进行显示器。然而，大功率数码管驱动困难，系统的热稳定性和抗干扰能力较差。同时，系统的过压、过流和瞬间掉电保持需进行专门的电路设计，而使系统更加复杂，也降低了系统的稳定性和可靠性，从而大大限制了数码管的广泛应用。本文针对大功率数码管的驱动问题，以5英寸数码管为例，对其功耗进行了分析和计算，设计了各种译码驱动电路并进行了对比研究，对驱动电路进行了优化设计。进行了样机设计，实验结果验证了理论分析的正确性和所提出方法的可行性。

1 数码管的译码驱动电路
1．1 典型的译码驱动电路
    数码管按照其工作原理的不同有共阴和共阳两种，对应共阴和共阳两种常用的译码器，而对于高压大电流数码管的驱动，由于常用的译码器无法满足其驱动要求，因此，一般采用共阳数码管并采用对应的共阳译码器驱动，例如常用的74247译码器，其驱动电路如图1所示。

    其中VCC接芯片系统电源(一般为+5 V)，VDD另接独立的高电压大电流电源，例如，对于5英寸数码管，其驱动电压大约为15 V。该电路从原理上来看是正确的，但是稳定性极差，特别是长期连续工作时性能更不稳定，原因在于译码器74247无法满足大功率数码管的驱动要求。[!--empirenews.page--]
1．2 驱动功率计算
    下面以5英寸共阳数码管为例，进行驱动功率的计算。假设一数码管用于某一秒电路个位的显示，并设该数码管每一段的正常工作电流为ID。正常工作时，若其显示数字“0”，则应有其中6段被点亮，显然，此时1 s之内数码管的工作电流为6ID，类似的可以计算出显示其他数字时的工作电流，其工作电流波形如图2所示。

    由图2可以计算出数码管工作电流的平均值为：
   
    查询相关数据手册便可知每一种型号数码管每一段的正常工作电流ID，由式(1)和式(2)便可计算出该数码管工作于秒电路个位时的平均电流和有效电流。以S50013B型5英寸共阳数码管为例，查设计手册可知，每一段的正常工作电流为ID为60 mA。
    由式(1)和式(2)知，该数码管工作于秒电路个位时的平均电流和有效电流分别为300 mA和313．2 mA。
1．3 稳定性分析
    由图1的典型驱动电路可知，数码管正常工作所需的功率由外电源VDD提供，例如，使一个位于秒电路个位的S50013B型5英寸共阳数码管正常工作，电源VDD需提供的电流是313．2 mA。表面看来，只要电源VDD的功率足够大，图1所示的电路便可正常工作。其实不然，仔细分析图1的工作原理，不难看出，数码管每一段的工作电流虽然均由电源VDD提供，但是该工作电流同时也全部灌入到译码驱动器74247内部。一片译码驱动器74247正常工作时可承受的灌电流能力是40 mA，而一个位于秒电路个位的S50013B型5英寸共阳数码管正常工作时，灌入芯片74247的平均电流和有效电流分别为300 mA和313．2 mA，均远大于芯片74247的灌电流承受能力。
    可见，大功率数码管，如S50013B型5英寸数码管，不能简单地用7段译码器进行驱动，而应进行专门设计。
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2 译码驱动电路设计
    根据以上分析，大功率数码管的驱动电路必须进行功率放大设计。
    三极管共射放大电路是常见的功率放大电路。同时，为了加强电路的抗干扰性和稳定性，三极管放大电路与光耦隔离电路结合起来使用是较为理想的选择。考虑到大功率数码管每一段的工作电流均比较大，因此，应该对数码管的每一段驱动电流均进行放大，以数码管的一段(a段)为例，其驱动放大电路如图3所示。

    由于光耦不仅具有隔离作用，还具有一定的电流放大功能，因此图3所示的放大驱动电路具有较大的电流放大倍数，同时，具有较好的抗干扰性。但是，由于一个数码管有7段，因此一个大功率数码管需要7个如图3所示的放大电路，势必增加系统的复杂性，从而大大降低系统的可靠性。需要指出的是，采用三极管光耦放大电路来驱动大功率数码管，选用共阴译码器(如74248)和共阴型数码管较为方便。
    为了简化电路设计，也可采用CMOS系列的译码器CD4511。它具有BCD转换、消隐和锁存控制、7段译码及较大的驱动电流。可直接驱动较大功率的共阴型数码管。该方案虽然电路设计较为简单，但是，采用CD4511译码时数码管显示的数字“6”和“9”不够美观。
    为了实现大功率数码管驱动电流的放大，同时也使数码管显示的数字美观规范，本文提出一款基于驱动器MC1413的大功率数码管驱动电路设计。
    MC1413是高耐压、大电流达林顿陈列反相驱动器，由7个硅NPN达林顿管组成，每一对达林顿都串联一个2．7 kΩ的基极电阻，在5 V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。MC1413输出还可以在高负载电流并行运行，因此，接口电路连接比较简单。

    采用MC1413的大功率数码管驱动电路原理图如图4所示。图中VCC接5 V的芯片电压，VDD接数码管的工作电源电压，例如供5英寸共阳数码管的15 V电压。由于采用的是74248译码器，与CD4511译码器相比，数码管显示的数字比较美观。同时，由于MC1413工作电压高，工作电流大，灌电流可达500 mA，并且能够在关断时承受50V的电压，故可直接驱动功率数码管而无需进行电流放大，从而既保证了驱动功率的要求，也大大简化了电路设计，提高了系统的可靠性。
    可见，采用图4所示的MC1413驱动电路，电路结构简单、稳定可靠，是驱动大功率数码管的理想器件。

3 结语
    这里设计了一款计时电路，实现秒、分和小时的计时。秒发生电路由NE555实现，采用了6只S50013B型5英寸共阳数码管分别进行秒、分和小时的数字显示，译码驱动电路采用大功率驱动电路，由MC1413实现5英寸数码管的驱动。经长时间连续试验测试，该样机电路工作稳定可靠，电路芯片发热正常。为了进行对比研究，将数码管改由共阴译码器74248直接驱动。经长时间连续试验测试，此时样机电路工作极不稳定，电路芯片，尤其是74248严重发热。根据以上实验结果，可以得出以下结论：大功率数码管不能简单地用七段译码器直接进行驱动，其驱动电路必须进行功率放大设计；采用MC1413驱动大功率数码管，电路结构简单、稳定可靠，是驱动大功率数码管的理想器件。