GP1287BI VFD屏改进驱动方案

项目简介

GP1287BI 是一款高分辨率（256x50）的真空荧光显示屏（VFD），在同类产品中较为罕见，具有很高的研究及复古显示应用价值。由于本屏幕驱动较为复杂，并且没有什么先例可以参考，本人经过了两月的研发，得出了一个在成本，制作性和功能上取得平衡的驱动方案。

本项目在原开源驱动板（最早由@XACT提供）基础上重点改进：

灯丝驱动：采用交流驱动并引入截止电压调节，避免直流直驱导致的显示不均，和由于没有截止电压导致的鬼影。延长 VFD 寿命；

高压生成：使用LT1243 电流模式 PWM 控制器替换原方案，纹波更小效率更高，且元件更易获得，稳定输出阳极/栅极所需电压（典型值 75V / 50V）。

提供：完整工程项目压缩包，内含原理图，PCB制板文件，。输入 12V 直流即可工作，支持SPI 显示数据接口。

许可证：MIT。

项目参数

本项目可采用DC12V直接供电，亮度为500时，电流400mA，功耗较高，需注意不要将本项目运用于小功耗设备上。通信方式为3线SPI通信，LSB first，低位在前。CPOL为HIGH，CPHA是下降沿触发（Edge 2），这些通过CubeMX可以很简单设置。

原理解析（硬件说明）

VFD屏幕的驱动原理非常简单，通过灯丝被加热后产生电子，驱动芯片控制栅极和阳极的导通控制电子的飞行，以准确轰击对应阳极像素上的荧光粉。在上个世纪非常流行。

过去驱动VFD屏尚且容易。因为过去很多设备直接自带电源，可以直接从变压器引出栅极阳极要的高压，和驱动灯丝用的交流电。可是对于如今开关电源日益发达，更喜欢使用直流电的我们来说，这些旧时代的利好反而成了累赘。因为直流电产生以上条件十分困难。为此我特意研发了这个模块，可以直接用12V直流电驱动，SPI通信的驱动板。说是模块，其实是一种拓扑结构。用了这种结构，不管什么VFD屏都是一样驱动，没有区别。不过本项目用VFD点阵屏GP1287BI作为样例，因为该屏幕驱动更为复杂。解决了它，其它段码VFD屏就会容易得多。

整体电路设计：

本电路可以分为两部分：高压产生电路和灯丝驱动电路。

高压产生电路：

本驱动模块采用了LT1243，这是一款很优秀的电流模式PWM控制芯片，基本功能和常见的UCx84x 系列一致，引脚定义都一样。但是LT1243的性能更强悍，且功能更丰富。本电路用两个LT1243的推荐应用电路产生77V的阳极高压和52V的栅极高压。注意输出电容应该采用低ESR的电解电容，否则纹波会较大。如果诸君觉得LT1243较贵，也可以选择TI的兼容引脚的UC3843，功能上区别不大。

高压电路仿真（LTspice）：

灯丝驱动电路：

接下来我将会讲解比较重要的灯丝驱动电路。VFD屏幕的驱动电路不需要控制灯丝，只需要让灯丝保持工作即可，因此这降低了一部分难度。但是灯丝驱动依然麻烦。在阅读了XACT大佬的方案后（本屏幕正是来自他的淘宝店铺），我发现他的灯丝驱动是直流电而且没有截止电压，于是萌生出了改进的念头。以下是我的方案。如果诸君在阅读后有任何的新点子，或者改进方法，请不要吝啬。我的方案并不完美，只能说能够比较正常地工作，还请各路神仙帮忙。

首先是，先弄明白VFD的灯丝到底怎么驱动。

灯丝，可以理解为一根纯电阻，它被通过大电流后就会发热，其表面有一种涂层，加热后会发射电子。随后，由控制芯片驱动的栅极和阳极就可以通过导通/不导通来驱动电子轰击对应像素阳极上的荧光粉。灯丝，可以选择直流电驱动，可是对于GP1287BI这种体积较大的VFD屏，直流电直接驱动会导致亮度不均。因为一根很长的电阻，每一点电位都不同，因此灯丝的发射能力各点不同，导致亮度不均。因此有条件可以选择高频交流电驱动。本项目就选择的后者。

为了产生交流电，我们需要一个H桥。这里选择的是德州仪器的DRV8212，它是一款电机驱动器，自带死区控制，宽电压范围，大电流输出，是很优秀的H桥芯片。驱动电机就能驱动我们的灯丝。为了产生占空比50%，频率数十kHz的方波，我使用了一颗LMC555，它是555芯片的低压版本。正好屏幕供电也是3.3V，使用LDO供电即可。LMC555产生了约25kHz的方波，通过一颗sn74反相器反相，组成一对正交方波，送入H桥，使H桥产生标准的交流方波。

为了驱动灯丝，本电路使用了BUCK降压电路，控制芯片是TPS564257，实现功率7.2V输出（灯丝工作电压3-4V，这里是7.2V的原因后文讲）。驱动灯丝的电流最大380mA（见数据手册），本电路可以满足。

接下来的内容是关于VFD屏一个很重要但是注意到的人不多的概念：截止电压。

什么是截止电压？试想灯丝，灯丝在通电时，必然一端接电源，一端接地。接地端可以认为电压接近0V。好，此时芯片控制栅极关断，也是0V，此时两电极间不存在电场，电子无处可去，就会乱飘，打到阳极上就会产生微亮的像素点，俗称“鬼影”，VFD屏的鬼影无法软件解决，只能硬件解决。因为代码不能控制电子的运动。

怎么解决？我们让栅极关断时更“负”，比如，栅极关断时不是0V，而是-16V，-20V，这样的负高压，把电子活活压回去。这是很多工业驱动器的做法。问题是负压产生电路体积大，复杂度高，成本也高。于是，我们反其道而行之————既然是栅极比灯丝更负，为什么不抬高灯丝电压？是的，本电路就是通过一颗5W齐纳二极管1N5334B实现灯丝驱动电路的整体抬升，抬升到3.6V，大于数据手册要求的Ek = 3.3V，实现了鬼影的消除。代价是齐纳二极管发热严重，因为3.6V * 380mA = 1.37W，真实工作环境也许功耗更大，发热严重是必然的，经测试，全功率运行温度会飙升至70多度甚至80度。可以通过加装通风设备解决，或者散热片。这也解释了为什么前文要用7.2V的供电电压，7.2V减去二极管维持的3.6V浮地后才是3.6V的工作电压。

不过在此我还是向诸君征求意见，有没有更完善的方案。学校实验室里的学长认为可以上隔离变压器，中心抽头给浮地，还在研究。

鬼影这个东西只有关灯后才能看见，因此大家不怎么在意，因为环境光亮一点就看不到了。不过，VFD屏的美只有晚上才能彰显。

下两图就可以看出没有截止电压的区别。

图1：无截止电压，注意右侧的鬼影

图2：改进电路，鬼影消除

注意事项

VFD屏并非LCD和OLED屏那样安全，使用本模块注意以下几点；

• 本电路中承担产生灯丝驱动用的截止电压的稳压二极管工作时温度很高，因为其承担了抬升灯丝整体电位的任务，也就承担了相应的功率。注意不要被烫伤！
• 请务必不要热插拔接头，因为高压电路可能会击穿接口造成损坏。
• boost电路的电容掉电后会保持几十秒，注意最好掉电20秒以内不要触摸驱动板任何地方，以免被电击。
• 注意本VFD屏驱动模块全功率工作20分钟后就会达到温度最大值，注意散热。
• 焊接好板子后不要空载灯丝驱动电路，因为稳压二极管建立灯丝驱动用的浮空地工作点依靠灯丝工作时的大电流，如果空载可能导致工作点电压不对，进而使隔离芯片被击毁。如果想测试还不想上屏幕，可以接一个中等功率的6-8Ω电阻代替，但不要空载！

实物图

图1：驱动板正面图

图2：驱动板背面图

图3：简单UI展示