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工字电感器动，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，原因在于译码器模压电感器74247无法满足大功率数码管的驱动要求。
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差模电感个位时的平均电流和有效电流分别为300 mA和电感厂家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英寸共阳电感镇流器数码管正常工作时，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。

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。 1

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