MAX6921/MAX6931：20 輸出、76V 串行接口 VFD 管驅(qū)動(dòng)器的全面解析

在硬件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的領(lǐng)域中，VFD（真空熒光顯示）管驅(qū)動(dòng)器占據(jù)著重要的地位。今天，我們就來(lái)詳細(xì)探討一下 Maxim 公司推出的 MAX6921/MAX6931 這兩款 20 輸出、76V 串行接口的 VFD 管驅(qū)動(dòng)器。

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一、產(chǎn)品概述

MAX6921/MAX6931 能夠?qū)⒍嗦窂?fù)用 VFD 管連接到 VFD 控制器（如 MAX6850 - MAX6853）或微控制器，同時(shí)也適用于驅(qū)動(dòng)靜態(tài) VFD 管或電信繼電器。它采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 4 線串行接口（CLOCK、DATA、LOAD、BLANK），與 Maxim 或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 VFD 驅(qū)動(dòng)器和控制器兼容。

器件特點(diǎn)區(qū)分

MAX6921 具備串行接口數(shù)據(jù)輸出（DOUT），可使任意數(shù)量的器件在同一串行接口上進(jìn)行級(jí)聯(lián)；而 MAX6931 擁有負(fù)電源電壓輸入（VSS），能讓驅(qū)動(dòng)器的輸出擺幅變?yōu)殡p極性，從而在許多應(yīng)用中簡(jiǎn)化燈絲偏置。

封裝形式

MAX6921 有 28 引腳 TSSOP、SO 和 PLCC 封裝可供選擇，MAX6931 則采用 28 引腳 TSSOP 封裝。此外，Maxim 還提供 12 輸出 VFD 驅(qū)動(dòng)器（MAX6920）和 32 輸出 VFD 驅(qū)動(dòng)器（MAX6922/MAX6932），滿足不同的設(shè)計(jì)需求。

二、產(chǎn)品特性亮點(diǎn)

高性能接口與電源范圍

• 具備 5MHz 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 4 線串行接口，能實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。
• 邏輯電源范圍為 3V 至 5.5V，管電源范圍為 8V 至 76V，MAX6931 的燈絲偏置電源范圍為 -11V 至 0V，這使得它在不同電源環(huán)境下都能穩(wěn)定工作。

  強(qiáng)大的輸出能力

• 采用推挽式 CMOS 高壓輸出，輸出可連續(xù)提供 40mA 電流，吸收 4mA 電流，還能提供 75mA 的重復(fù)脈沖電流。
• 輸出可以并行連接，以實(shí)現(xiàn)更高的電流驅(qū)動(dòng)能力，并且任何輸出都可作為柵極或陽(yáng)極驅(qū)動(dòng)器。

  便捷的控制功能

• BLANK 輸入可簡(jiǎn)化 PWM 強(qiáng)度控制，高電平有效時(shí)可強(qiáng)制所有驅(qū)動(dòng)器輸出為低電平，關(guān)閉顯示并使器件進(jìn)入關(guān)斷模式，還能通過(guò)直接對(duì) BLANK 輸入進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制來(lái)控制顯示強(qiáng)度。

  寬溫度范圍與小封裝

• 工作溫度范圍為 -40°C 至 +125°C，保證了在不同環(huán)境下的可靠性。
• 采用小尺寸的 28 引腳 TSSOP 封裝，節(jié)省電路板空間。

在硬件設(shè)計(jì)中，推挽式CMOS高壓輸出在VFD管驅(qū)動(dòng)器中具有顯著優(yōu)勢(shì)。推挽式結(jié)構(gòu)能夠提供較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，可有效驅(qū)動(dòng)VFD管的陽(yáng)極和柵極。它可以在高電平輸出時(shí)提供較大的電流，確保VFD管的正常發(fā)光；在低電平輸出時(shí)，又能快速吸收電流，實(shí)現(xiàn)快速的信號(hào)切換。這對(duì)于提高VFD管的顯示效果和響應(yīng)速度非常關(guān)鍵。

三、電氣特性分析

電壓與電流參數(shù)

在典型工作電路中，邏輯電源電壓 (V{CC}) 范圍為 3V 至 5.5V，管電源電壓 (V{BB}) 范圍為 8V 至 76V，MAX6931 的偏置電源電壓 (V{SS}) 范圍為 -11V 至 0V，總電源電壓 (V{BB}-V{SS}) 最大為 76V。不同輸出狀態(tài)下，邏輯電源工作電流 (I{CC}) 和管電源工作電流 (I_{BB}) 會(huì)有所變化，并且受溫度影響。

輸出電壓與時(shí)間參數(shù)

• 高壓輸出 (V{H}) 和低壓輸出 (V{L}) 會(huì)根據(jù)不同的 (V{BB}) 和 (I{OUT}) 以及溫度條件而變化。
• 輸出的上升時(shí)間 (t{R}) 和下降時(shí)間 (t{F}) 在特定條件下有相應(yīng)的典型值，串行接口的各種時(shí)序特性也有明確的參數(shù)要求，如 LOAD 上升到 OUT 下降延遲、BLANK 上升到 OUT 下降延遲等。

四、詳細(xì)工作原理

4 線串行接口

MAX6921/MAX6931 通過(guò) 4 線串行接口（DIN、CLK、LOAD、DOUT，MAX6921 才有 DOUT）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和控制。CLK 作為接口時(shí)鐘，在其上升沿將數(shù)據(jù)移入 20 位移位寄存器；LOAD 高電平時(shí)，數(shù)據(jù)從移位寄存器透明傳輸?shù)捷敵鲦i存器，在其下降沿鎖存數(shù)據(jù)；DIN 為接口數(shù)據(jù)輸入，需在 CLK 上升沿采樣時(shí)保持穩(wěn)定；DOUT 則在 CLK 上升沿將數(shù)據(jù)從移位寄存器移出。BLANK 輸入可獨(dú)立控制輸出狀態(tài)，高電平時(shí)強(qiáng)制輸出為低電平，不改變輸出鎖存器內(nèi)容，常用于 PWM 強(qiáng)度控制。

輸出結(jié)構(gòu)與特性

每個(gè)驅(qū)動(dòng)器輸出是經(jīng)過(guò)壓擺率控制的 CMOS 推挽開(kāi)關(guān)，在 MAX6921 中輸出在 (V{BB}) 和 GND 之間擺動(dòng)，在 MAX6931 中在 (V{BB}) 和 (V_{SS}) 之間擺動(dòng)。輸出上升時(shí)間慢于下降時(shí)間，可避免輸出轉(zhuǎn)換時(shí)的直通電流，同時(shí)壓擺率能在降低 EMI 的同時(shí)，不影響典型的 100μs 數(shù)字多路復(fù)用周期和顯示強(qiáng)度。

五、實(shí)際應(yīng)用要點(diǎn)

輸出電流與并聯(lián)

每個(gè)輸出的連續(xù)電流源能力為 40mA，可驅(qū)動(dòng)高達(dá) 75mA 的重復(fù)峰值電流，但需滿足一定的導(dǎo)通時(shí)間和占空比要求。同一封裝內(nèi)的輸出可以并聯(lián)以提高電流驅(qū)動(dòng)能力或降低輸出電阻，但要確保接口控制能使輸出處于相同電平。安全的并聯(lián)方式是使用二極管防止輸出吸收電流，并根據(jù)不同情況選擇合適的外部放電電阻。

功率耗散計(jì)算

對(duì)于靜態(tài)管驅(qū)動(dòng)器和多路復(fù)用管驅(qū)動(dòng)器，需要分別使用不同的公式計(jì)算功率耗散 (P_{D})。在設(shè)計(jì)時(shí)，要確保所選封裝的最大耗散額定值不被超過(guò)，并且在使用多個(gè)驅(qū)動(dòng)器時(shí)，盡量均勻分配平均耗散。

電源考慮

MAX6921/MAX6931 采用多電源電壓工作，需使用 0.1μF 電容將 (V{CC})、(V{BB}) 和 (V{SS})（僅 MAX6931）電源引腳旁路到 GND。在多路復(fù)用應(yīng)用中，可能需要在 (V{BB}) 電源上添加 1μF 或更大的大容量電解電容。電源供電順序不重要，但在邏輯電源 (V_{CC}) 未工作時(shí)，不要驅(qū)動(dòng)邏輯輸入。

驅(qū)動(dòng)器級(jí)聯(lián)（僅 MAX6921）

多個(gè) MAX6921 可以通過(guò)將每個(gè)驅(qū)動(dòng)器的 DOUT 連接到下一個(gè)驅(qū)動(dòng)器的 DIN 進(jìn)行級(jí)聯(lián)。當(dāng) (V{CC} ≥ 4.5V) 時(shí)，可在 5MHz CLK 全速級(jí)聯(lián)；當(dāng) (V{CC}<4.5V) 時(shí)，較長(zhǎng)的傳播延遲會(huì)將最大級(jí)聯(lián) CLK 限制為 4MHz。

綜上所述，MAX6921/MAX6931 是兩款功能強(qiáng)大、性能優(yōu)越的 VFD 管驅(qū)動(dòng)器，在眾多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，電子工程師需要根據(jù)具體需求，合理運(yùn)用其特性，確保設(shè)計(jì)的可靠性和穩(wěn)定性。大家在使用這兩款驅(qū)動(dòng)器時(shí)，有沒(méi)有遇到過(guò)什么特別的問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。