2.2　VFD设计技术

VFD阴极发射电子的能力和发光效率的高低是影响器件性能和应用的两个重要因素。为了开发低功耗、高亮度的VFD 产品，需要对阳极电流、发光效率和亮度等特性进行精确设计与测量。

2.2.1　工作电极的设计技术

VFD的电极结构包括作为阴极的灯丝、作为开关的栅极、作为荧光粉衬底的阳极。

1．阴极灯丝的设计技术

图2-10分别给出了灯丝电压与灯丝电流特性（Ef-If）、灯丝电压与栅极/阳极电流特性（Ef-Ic,Ib）及灯丝电压与亮度特性（Ef-L）。灯丝电压对显示品质及寿命有重要的影响，图中灯丝电压的标准值是3.0Vac。灯丝电压过高，电流或亮度并不随之增加，反而因阴极温度上升而加速钨丝芯线上氧化物的蒸发，污染荧光粉表面，使发光效率和亮度提早下降，缩短寿命。相反，如果灯丝电压过低，阴极温度下降，便无法获得充分而稳定的热电子发射，致使显示品质劣化或灯丝电压变动而使亮度不稳定。灯丝长时间在低电压条件下使用，会引起可靠性下降。因此，灯丝电压设定应在标准值±10%的范围内使用。实际使用时，不能用调整灯丝电压来调整亮度。

为了让阴极加热到规格设定的温度值，以获得良好的热电子发射，需要对灯丝通电加热。为达到规定的阴极温度，所施加的灯丝电压的有效值必须与规格中心值一致。灯丝电压（Ef）的施加可以与灯丝单侧接地或与灯丝变压器的中心抽头接地。对于与单侧接地方法，灯丝的接地侧，阳极端所加的电压相当于Eb，栅极端所加的电压相当于Ec，另一侧的阳极、栅极电压则在｛（Eb、Ec）−Ef｝与｛（Eb、Ec）+Ef｝间变动，通常能得到均匀的亮度。对于与灯丝变压器的中心抽头接地的情况，灯丝电位的振幅较小，可降低对截止偏压的要求，因此常用中心抽头的方式接地。选用有中心抽头的脉冲变压器的DC-DC变换器时，不能有极端的直流成分、尖峰脉冲，而且有效值要与标准值一致，振荡频率建议在30kHz以上。

由于灯丝加热电压在灯丝上有一个电位分布，存在左（右）高右（左）低梯度。亮度近似与电位差的2.7次幂成比例，相应地会产生右（左）高左（右）低的现象。为了获得均匀的亮度，必须对VFD的栅极和灯丝间距进行设计补偿。使用时，灯丝工作电压必须按照规定的正负极性连接，否则，亮度差异反而会更大。因为设计补偿的范围有限，直流灯丝的构造设计只限于灯丝较短的VFD。

在实际应用中，可以采用DC-AC变换电路获得脉冲电压给灯丝提供电源。但为了使有效值与标准电压保持一致，必须对工作周期进行调整。另外要谨慎设定电路振荡频率，避免因机械性共振或电磁波的干扰而出现杂音。

2．栅极和阳极的设计技术

栅极和阳极的内部电极连接与引线的引出方式因采用的驱动方式不同而不同。如图2-3所示，静态驱动的栅极单独引出，与位数多少无关，阳极则是除同时显示的笔段外，分别单独引出。通常，栅极始终施加直流正电压，而阳极则根据显示要求分别加上直流正电压或直流负电压，以显示指定的笔段。如图2-4所示，动态驱动的每个栅极各自独立引出，阳极则是每个栅极所对应的笔段共同连接、共同引出。因此，即使位数多，阳极引线也无须随之增加。在多位数显示时，对各个栅极加上扫描电压，同时也适时地对所选阳极施加亮态正脉冲电压或暗态负脉冲电压，以高频扫描速度进行分时动态驱动。电压的正负极性是以灯丝为参照的相对值。

驱动方式不同，电极连接及施加电压波形也不同。但在正常显示下，都是对阳极与栅极施加正电压。阳极与栅极电压对电流的特性如图2-11所示。工作时，阳极及栅极几乎使用同一电压，故阳极、栅极的电流特性可参照二极管的特性。阳极电流ib的计算式为

ib=（G·en）/（1+K）

（2-2）

式中，G为电子管电导系数（是由电极结构和尺寸决定的常数），e为阳极（栅极）电压，n ≈ 1.7，K为电流分配率（ic/ib）。

阳极与栅极电压对亮度的特性如图2-12所示。阳极、栅极电压与亮度的关系则为阳极的消耗功率乘以发光效率η及占空比（Du）之积，将式（2-2）代入式（2-1）可得到亮度L的计算式为

L=μ·η·e·G·en·Du/（1+K）=A·en+1·Du

（2-3）

式中，A为常数。

如果Du值固定，则无论采用何种驱动方式，VFD的亮度约与阳极电压、栅极电压成2.7次方的关系。

阳极、栅极的电流与阳极、栅极电压的1.7次方、亮度的2.7次方成正比。同样，阳极和栅极的损耗功率比例也约为2.7次方，所以使用时要注意避免让栅极过载引起热变形，甚至与其他电极短路或因阳极温度上升过骤而导致特性恶化。另外考虑到灯丝热电子发射能力的限制，阳栅极电压不能超过规定的最大值。

阳极与栅极电压是决定亮度的重要因素，在设定时要考虑到使用环境的亮度、滤色板的色调、透过率及显示屏差异等因素的影响。为获得一定的亮度，静态驱动的阳极、栅极可通过改变电压对亮度进行调整。消除VFD显示必须使阳极或栅极的任何一方相对灯丝为零电位或更负的截止电压。可以施加阳极截止电压消除漏光，也可以施加栅极截止电压消除漏光。前者以静态驱动为主、后者以动态驱动为主，由于存在荧光粉发光的临界值，若灯丝电压不是特别高，则阳极截止电压可以是0或相当小的负电压。相对地，栅极截止电压因灯丝所放射的热电子的最初速度或灯丝的标准电压、灯丝本身的电位倾斜等原因，比阳极截止电压更大，必须加上比灯丝电位低数伏特的偏压。

3．电源的特性要求

灯丝电源的设定值必须是相应规格的额定值（有效值）。如果不能按照额定值设定，必须是在额定值的±10%以内波动。波动范围必须是相应规格额定值的±10%。电流容量在最大规范值时不得有电压降落。

栅极和阳极电源的设定值是相应规格所要求的额定值。如果设定值偏离额定值，必须不超过最大值。包括波动范围，当截止电压是用稳压二极管取得时，截止电压加上阳极或栅极电压的值必须是电源的设定值。波动范围必须是相应规格额定值的±10%或更小的范围内。电流容量必须满足最大规范值。

截止电压的设定值可比相应规格的额定值低。但截止过低会影响亮度，致使电子不能均匀地射入阳极，产生如阴影这种缺陷。因此，要求设定值接近或稍低于额定值。

对于大面积VFD显示屏，要能承受一个大气压的压强，阴极的防振和足够的机械强度是设计中的另一关键。

2.2.2　驱动电路的设计技术

VFD驱动电路的设计分为静态驱动和动态驱动两种。无论是动态或静态驱动，一般采用TTL或CMOS数字电路作为信号输出，也可采用直接驱动VFD的单片机或专用驱动芯片。

1．静态驱动

静态驱动的VFD基本电路如图2-13所示，灯丝变压器为中心抽头接地，可不施加截止电压。如果灯丝电压较高，或因条件限制而不能采用中心抽头而必须自灯丝的一侧取出阴极电流时，必须加上截止偏压以防止漏光。栅极以脉冲电压进行截波，并根据占空比（Du）调整亮度。除了静止显示，一般始终施加直流正电压，作为加速用控制电极。

除部分可共同连接的笔段外，阳极必须将所有笔段分别与周围电路连接。在位数多或阳极（笔段）数多时，电路布线复杂、元器件数多，不合适采用静态驱动。在位数少或考虑动态驱动的高频噪声干扰问题时，希望低电压下获得高亮度，静态驱动是最适当的驱动方式。

2．动态驱动

动态驱动的基本电路与电位关系如图2-14所示。灯丝采用一般的交流电压，并利用灯丝变压器中心抽头上的稳压二极管所获得的截止偏压Ek，以消除漏光。如果阳极、栅极电流汇合的阴极电流的取出点不在灯丝变压器的中心抽头，而在灯丝的单侧，则截止电压必须更大。在关闭脉冲信号时，为加快振荡衰减，在输出线与栅极之间必须加上下拉电阻。而在已施加电压的状态下，下拉电阻则是一种与显示屏并联的负载，会消耗无效电力，因此取值不能太小。反之，如果取值太大，容易产生振荡，或因尖峰电压而有漏光的现象。通常，以数十kΩ最为合适。

在每个分离出来的栅极上，顺序施加如图2-15（a）所示的位数信号脉冲电压，在阳极（笔段）上施加如图2-15（b）所示的配合栅极扫描信号的脉冲电压（显示“1234”四位数）。其中，T是往复周期，tp是脉波幅度，tb是消隐时间，Du（=tp/T）是工作周期。一般，扫描信号的脉冲tp不是标准的矩形方波，存在上升和下降沿延迟时间。如果脉冲之间没有消隐时间tb，就会产生信号的部分重叠，而产生错误的显示或漏光。如图2-15（a）所示，应用电路扫描信号的每位之间应设置10～20μs的消隐时间，若消隐时间过长，则扫描占空比减小，导致亮度减低。此外，当灯丝电源的频率接近栅极、阳极驱动频率时，由于相互的电位关系，频率差将导致亮度闪烁。

当栅极、阳极的驱动频率与灯丝的固有振动频率相等或接近整数倍时，灯丝因外力而振动，因电极间尺寸的细微变化，及栅极、阳极驱动信号的相互作用，形成闪烁现象。因此，需要合理选择灯丝电源频率及亮度调整。栅极扫描速度越快，亮度越均匀，最好在200Hz以上。占空比（Du）可由栅极数（计时分割数）与熄灭时间的脉冲振幅比率决定。因此设定工作条件时，必须根据前述工作领域特性，从所需亮度及Du求出阳极电压和栅极电压。

2.2.3　VFD品质管控与设计

为避免发生品质问题，在器件设计和组装工程上需要把握好闪烁、漏光、灯丝电压、亮度调节、组装等事项。

1．闪烁现象

动态驱动出现的闪烁现象并不是VFD可靠性问题，可以通过提高驱动频率解决。设计时需要注意以下几点。

（1）驱动频率过低：显示区、观察者静止时，驱动频率低于50Hz，容易发生闪烁；显示区或观察者处于动态时，帧频大于50Hz也会发生闪烁。

（2）灯丝电源频率和帧频干涉：VFD属于直热型阴极，灯丝施加交流电压，阴极电位上下变化，作用于发光的实际阳极电压和栅极电压也跟着变化。所以，灯丝电源频率和帧频干涉就会出现闪烁现象。驱动频率最好设计在220Hz以上。

（3）灯丝固有振动频率和帧频干涉：灯丝的固有振动为正弦（余弦）波。VFD一旦感受到冲击，灯丝就会以一定的周期振动。这个振动频率就称为固有振动频率。灯丝振动会导致灯丝和栅极之间的距离发生变化，引起阳极电流的变化。这样，如果驱动频率和固有振动频率接近或驱动频率为固有振动频率的整数分之一，就会出现闪烁现象。

2．漏光现象

漏光现象主要和截止偏压、消隐时间，以及栅极和阳极驱动波形有关。

（1）截止偏压低：灯丝交流驱动时，灯丝的中心抽头一旦和栅极接续，灯丝电位就会低于地电位GND，引起电子流入发光。截止偏压规格是灯丝电位为正弦波、中心抽头时驱动的电压，侧抽头驱动时就会出现漏光。

（2）消隐时间短：栅极驱动波形从ON到OFF变化时，有缓慢下降的现象，关断不彻底，当下一个时序信号为ON时就会出现漏光。这时，需要延长消隐时间。

（3）栅极、阳极驱动波形中存在尖峰脉冲噪声：驱动波形中存在尖峰脉冲噪声时，会出现漏光。这时，输出和负电源之间需要连接电容或电阻，降低尖峰脉冲噪声。

3．产品寿命

阴极温度是影响VFD寿命的最关键因素之一，为了获得均匀的良好发光，务必在规定的电压范围内施加灯丝电压，不能通过变更灯丝电压来调制VFD亮度，否则会降低产品的使用寿命。灯丝电压如果设计为直流驱动就加直流电压，如果设计为交流驱动就加交流电压。

4．亮度调整

在环境亮度变化较大的场合，需要调整VFD亮度。调整VFD亮度可以通过改变阳极和栅极电压，或者改变脉冲电压的占空比来实现。

电压调整的方法比较简单，在标准电压的范围内则无问题，但一般而言，大多数的场合都希望比该范围来得暗，如此一来栅极对电子的加速、扩散作用会减弱而使显示品质低下，易产生显示不匀的现象，所以必须在可调整的范围内设定界限。固定阳极及栅极电压、提高截止偏压的方法实质上与降低阳极及栅极电压接近，但截止偏压过大容易造成字段边缘出现阴影。

其他条件一定时，则亮度与占空比成正比。因此在不改变阳极、栅极电压及占空比的情况下改变脉冲幅度，或是不改变阳极、栅极电压及脉冲幅度而改变占空比，均可以调整亮度。无论在任何比率下，此方法都不致造成显示品质低落，因此被推荐采用。但对静态驱动的 VFD改变占空比进行调光时，必须施加栅极截止偏压。

5．虚像和阴影

VFD工作时某些不应显示的图形发光，但亮度比其应显示的图形暗得多，这就是荧光显示屏的虚像。消除虚像的对策包括：要加规范规定的足够的截止电压；栅极扫描脉冲的位与之间要留有10～20μs的消隐时间；用晶体管阵列IC做驱动接口时，与荧光显示屏的阳和栅极连接输出端必须分别加下拉电阻。

阴影是荧光显示屏工作时，显示图形的周围或端部比中央部位暗，产生阴影的主要原因是工作电压不合适。在VFD的使用过程中，如果灯丝电压偏低，超过额定值10%的范围，灯丝进入温度限制区，处于热电子发射不稳定状态，不能发射足够的电子，引起亮度不均匀。截止电压偏低，加速电压过低，使电子不能均匀地进入阳极，导致荧光显示屏亮度降低，严重时产生阴影。解决方法是施加合适的截止电压，使它等于或略小于额定值，使荧光显示屏亮度提高，阴影消失。

另外，阳栅极电压波动过大，往往会超过额定值。这主要是因为阳栅极电源的电流容量不够大，当阳栅极开通电流增加时，阳栅极电压明显降低，波动值超过额定值的±10%，引起亮度不匀和阴影。