電源回路の設計

TMS1030 を使った VFD 電卓の製作です。
乾電池２本で動作させるための電源回路を設計します。
まず、動作に必要な電位レベルを書き出してみます。

VFD の駆動に必要な電圧は、アノード電圧 Va, グリッド電圧 Vg,
フィラメント電圧 Vf の 3 種類です。
（前回はフィラメントを VFD 付属資料に引っ張られてヒーターと呼んでいました）
通常 Va = Vg として駆動、その値は 12V – 30V ほどです。
大型の VFD になると、フィラメントは交流で駆動させる必要がありますが、
今回のものは直流でも問題なさそうです。

今回使用する VFD （ITRON DP95A4）は、定格等詳細は不明なので、
実験によりこれらの値を推測する必要があります。

フィラメント電圧は、大きすぎると VFD の寿命が極端に縮まってしまいます。
かといって、小さすぎると VFD が点灯しません。
フィラメント（発光部分の手前にある細い電線）自体が発光しないで、
VFD の アノード、グリッドに電位を与えた上でセグメントが発光するような値にセットします。
今回の VFD では 1.6-1.8V 程度が丁度よさそうです。

定電圧駆動が望ましいのですが、乾電池 2 本動作なので、1.9V 動作まで電圧低下をみると、
レギュレータの設計がちょっと面倒です。
簡単ですが、アクティブ駆動は見送り、抵抗で電圧制限することにします。
50Ω 程度の抵抗と直列に繋ぐことで、丁度良い電圧幅に落ち着きました。

アノード、グリッド電圧は、十分に発光する適当な電圧に設定します。
じつは最初は経験から 26V で駆動させていたのですが、あらためて実験すると、
もう少し低い値でもよさそうなので、今回は 18V としました。
この高電圧は、スイッチングコンバータで昇圧させて生成します。

TMS 0130 の定格は 14V で、ドライブ段は pMOS のオープンドレインとわかっているので、
Vss を Va, Vg とする必要があります。
この電源電圧（Vgg, Vdd）は、VFD 用に生成した高電圧から降圧させて作ります。
あとで アノード、グリッド電圧を上げることを考えると、リニアコンバータより、
効率の良いスイッチングコンバータとした方が都合よさそうです。

設計した電源回路の構成図と回路図、写真を示します。
プローブをひっかけるために方々配線が伸びているので、
あまり綺麗じゃないですね。

こういう多出力の電源システムを構成するには、多巻線トランスを介したコンバータに
するほうが簡便で、商品化された大抵の電卓でもそうなっています。
しかしながら、手元に適当なコアがないので、通常のインダクタで設計できる
ブースト型・バック型の DC-DC コンバータとしました。
2系統のスイッチング・フィードバック経路が必要になるので、専用 IC を使わずに、
制御はマイコン (ATtiny13A) にさせることにします。

この回路で 初段 2.0V -> 26V （13倍）@ 35mA(Vss-Vgg 間) の出力が可能です。

ただこの条件は極端な duty 比率となるため、ブーストコンバータとしては
かなり厳しい条件になります。
この後の実験では、Vss-GND は 18V で行っており、
上記回路図の回路定数もそのようになっています。

次回につづく