LED 背光照明在汽車顯示器照明中占據(jù)主導地位

　　引言

　　有一些關(guān)鍵應用使得用作薄膜晶體管 （TFT） 液晶顯示器 （LCD） 背光照明的 LED 出現(xiàn)了爆炸性增長，這類應用包括高清 （HD） 電視機、便攜式平板電腦、汽車信息娛樂顯示器和大量手持式通信設(shè)備。然而，為了保持這種驚人的增長率，LED 必須既提供更高的可靠性、更低的功耗和更緊湊的外形尺寸，又實現(xiàn)更高的對比度和色彩準確度。此外，在汽車、航空電子和航海顯示器中，在必須改進所有這些參數(shù)的同時，LED 還要適應從日光到?jīng)]有月亮的夜晚等多種環(huán)境光線條件。

　　這些 TFT-LCD 應用包括信息娛樂系統(tǒng)、計量表和多種儀表顯示器。當然，用 LED 給這些顯示器進行背光照明會造成一些獨特的 LED 驅(qū)動器 IC 設(shè)計挑戰(zhàn)，因為要在多種照明條件下優(yōu)化顯示器的可讀性。LED 驅(qū)動器需要提供非常寬的調(diào)光范圍和高效率轉(zhuǎn)換，同時還需要適應嚴酷的汽車電氣及物理環(huán)境。更不用說的是，這些解決方案的高度必須非常扁平，占板面積也非常緊湊，同時還要提高總體性價比。

　　促使 LED 在汽車顯示器中增長的因素是什么？

　　為了支持在汽車照明應用中的驚人增長，LED 必須比白熾燈更有優(yōu)勢。LED 的優(yōu)勢包括：LED 的發(fā)光效率是白熾燈的 10 倍以及幾乎是熒光燈的兩倍，其中包括冷陰極熒光燈 （CCFL），因此降低了提供給定量的光輸出 （單位：流明/瓦） 所需的電功率。隨著 LED 的進一步發(fā)展，其效率或從電源產(chǎn)生光輸出的能力只會繼續(xù)提高。此外，我們現(xiàn)在非常關(guān)注環(huán)保，而 LED 照明不需要處理、接觸和處置 CCFL 燈中常見的有毒水銀蒸汽。最后，白熾燈通常經(jīng)過大約 1，000 小時運行后就需要更換，而熒光燈則可以運行長達 1 萬小時。不過，與 LED 照明提供的 10 萬小時以上的壽命相比，這些數(shù)字就相形見絀了。

　　在大多數(shù)應用中，這種長運行壽命使 LED 能夠永久性地嵌入到最終應用中。對于給汽車儀器儀表以及信息娛樂系統(tǒng)的顯示器提供背光照明而言，這一點尤其重要，因為這些顯示器常常嵌入到汽車儀表板中，而 LED 在汽車的工作壽命期內(nèi)不需要更換。此外，LED 比其他類型的照明燈尺寸小且緊湊得多，因此 LCD 顯示面板可以做得極薄，從而在汽車內(nèi)部占用最小的空間。還有，通過采用紅、綠和藍光 LED 配置，可以提供無限多種色彩。不僅如此，LED 調(diào)光以及接通 / 斷開的速度還能夠遠遠快于人眼能夠察覺到的速度，從而顯著改進了 LCD 顯示器的背光照明，同時使顯示畫面實現(xiàn)了極高的對比度和更高的分辨率。

　　汽車應用采用 LED 面臨的障礙

　　然而，汽車照明系統(tǒng)設(shè)計師面臨的最大障礙之一是，怎樣優(yōu)化最新一代 LED 提供的所有特點和優(yōu)勢。既然 LED 一般需要一個準確和高效率的電流源以及一種調(diào)光方法，那么 LED 驅(qū)動器 IC 就必須設(shè)計成在多種工作條件下滿足這些需求。另外，電源解決方案必須效率非常高，必須非常堅固、可靠，同時還要非常緊湊且具備高性價比?？梢哉f，就驅(qū)動 LED 而言，要求最苛刻的應用之一就是汽車信息娛樂和儀表 TFT-LCD 的背光照明，因為這種背光照明應用處于嚴酷的汽車電氣環(huán)境中，還必須補償多種環(huán)境照明條件的變化，而且必須適合可用空間非常受限制的情況。與此同時，這類應用必須具備富有吸引力的成本結(jié)構(gòu)。

　　很多新出現(xiàn)的汽車設(shè)計都采用單個照明板給所有用于駕駛員控制的計量表顯示器進行背光照明。用于儀表板的 LED 背光照明也常常用于信息娛樂系統(tǒng)，產(chǎn)生了一種易讀的一體化控制面板。類似地，很多汽車、火車和飛機都提供 LCD 顯示器，為乘客提供電影、視頻游戲等娛樂活動。過去，這些顯示器一直使用 CCFL 背光照明，不過現(xiàn)在越來越常見的是，用非常扁平的白光 LED 陣列取代這些使用相對較大照明燈的設(shè)計，以提供更加精確和可調(diào)的背光照明并延長使用壽命。

　　汽車 LED 照明設(shè)計要求

　　為了確保最佳性能和較長的工作壽命，LED 需要一個有效的驅(qū)動電路。這類驅(qū)動器 IC 必須能夠靠條件相當苛刻的汽車電源總線運行，而且還必須具備很高的性價比和很高的空間利用效率。為了保持較長的工作壽命，還必須保證不超過 LED 的電流和溫度限制。

　　汽車行業(yè)的主要挑戰(zhàn)之一是，應對嚴酷的汽車電源總線電氣環(huán)境。主要挑戰(zhàn)是應對稱為“拋載”和“冷車發(fā)動”的瞬態(tài)情況。拋載指的是，電池電纜斷接而交流發(fā)電機仍然在給電池充電的情況。這種情況可能在電池電纜連接不牢固同時汽車正在運行時出現(xiàn)，或者在電池電纜斷裂同時汽車正在運行時出現(xiàn)。這種電池電纜的突然斷接可能產(chǎn)生高達 40V 的瞬態(tài)電壓尖峰，因為交流發(fā)電機試圖給并未連接電池滿充電。交流發(fā)電機上的浪涌抑制器通常將總線電壓箝位到約 36V，并吸收大部分電流浪涌，然而交流發(fā)電機下游的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器必須承受這些 36V 至 40V 的瞬態(tài)電壓尖峰。人們期望發(fā)生這類瞬態(tài)事件時，這些轉(zhuǎn)換器能夠不被損壞并能夠調(diào)節(jié)輸出電壓?，F(xiàn)在有各種不同的保護電路，通常采用浪涌抑制器，因為浪涌抑制器可以在外部實現(xiàn)。不過，浪涌抑制器增大了成本、重量和占用的空間。

　　當汽車發(fā)動機處于很冷或冰凍溫度中一段時間后，會發(fā)生冷車發(fā)動情況。這時發(fā)動機油變得極度粘稠，需要發(fā)動機啟動器提供更大的扭矩，而這會從電池吸取更大的電流。這種大電流負載在點火瞬間可能將電池 / 主總線電壓拉低至 4.0V，之后一般回復至標稱的 12V。

　　解決這些困境的一種新的解決方案是凌力爾特公司的 LT3599，該器件能夠承受這兩種情況而不被損壞，而且能夠提供一個穩(wěn)定的固定輸出電壓。其輸入電壓范圍為 3V 至 30V，瞬態(tài)保護至 40V，因此該器件非常適合汽車環(huán)境。甚至當 VIN 高于 VOUT 時 （這種情況可能在 36V 瞬態(tài)時發(fā)生），LT3599 仍會提供穩(wěn)定的所需輸出電壓。

　　大多數(shù) LCD 背光照明應用都需要 10W 至 15W LED 功率，LT3599 的設(shè)計滿足這種應用需求。該器件可以將汽車總線電壓 （標稱 12V） 提高至 44V，以驅(qū)動多達 4 個并聯(lián)的 LED 串 （每串包含 10 個 100mA 串聯(lián) LED）。圖 2 顯示了 LT3599 驅(qū)動 4 個并聯(lián) LED 串的原理圖，每串由 10 個 80mA LED 組成，總共提供 12W 功率。

　　圖 1：采用 LT3599、效率為 90% 的 12W LED 背光照明電路

　　LT3599 采用自適應反饋環(huán)路設(shè)計，該設(shè)計方案調(diào)節(jié)輸出電壓，使其略高于 LED 串的最高電壓。這最大限度減小了鎮(zhèn)流電路損失的功率以優(yōu)化效率。圖 3 說明了 LT3599 的效率，其效率可高達 90%。這很重要，因為這樣就不需要任何散熱器了，從而可實現(xiàn)占板面積非常緊湊的扁平解決方案。對于驅(qū)動 LED 陣列而言，同樣重要的是提供準確的電流匹配，以確保整個顯示面板上的背光照明亮度保持一致。LT3599 在 -40?C 至 125?C 溫度范圍內(nèi)確保 LED 電流變化低于 2%。

　　電流匹配隨溫度的變化

　　效率隨 LED 電流的變化

　　圖 2：圖 1 中 LT3599 的 LED 電流匹配和效率

　　LT3599 采用固定頻率、恒定電流升壓型轉(zhuǎn)換器拓撲。其內(nèi)部的 44V、2A 開關(guān)能夠驅(qū)動 4 個 LED 串 （每串包括多達 10 個 100mA 串聯(lián) LED）。其開關(guān)頻率在 200kHz 至 2.5MHz 范圍內(nèi)是可編程和可同步的，從而使該器件能夠保持開關(guān)頻率位于 AM 收音機頻段以外，同時最大限度減小外部組件尺寸。該器件的設(shè)計還使其能夠驅(qū)動 1 至 4 個 LED 串。如果使用較少的 LED 串，那么每串還能有更大的 LED 電流。每個 LED 串可以使用相同數(shù)量的 LED，也可以使用不同數(shù)量的 LED，以非對稱形式運行。

　　LT3599 可用 True Color PWM™ 調(diào)光方法對 LED 調(diào)光，或通過控制引腳用模擬調(diào)光方法對 LED 調(diào)光。True Color PWM 提供高達 3，000:1 的調(diào)光比，汽車應用常常需要這么高的調(diào)光比。通過以滿電流對 LED 進行 PWM 調(diào)光，可以消除 LED 光的任何顏色偏移，而且由于頻率非常高，所以人眼察覺不到。模擬調(diào)光提供了一種非常簡便的方法，通過改變 CNTRL 引腳電壓的值，可實現(xiàn)高達 20:1 的調(diào)光比。這種調(diào)光方法的效果取決于 LCD 面板所處環(huán)境光線的變化。最后，LT3599 集成了保護功能，包括開路和短路保護以及報警引腳。

　　結(jié)論

　　高亮度 （HB） LED 用于汽車應用的增長潛力很大，可以毫無疑問地說，相對于今天的采用率而言，這會導致對 LED 本身以及驅(qū)動 LED 所需的驅(qū)動器 IC 的需求出現(xiàn)顯著增長。凌力爾特已經(jīng)開發(fā)出專門針對汽車應用的完整大電流 LED 驅(qū)動器產(chǎn)品系列，適用于從 LCD 背光照明、轉(zhuǎn)向信號燈直至前燈的各種應用。汽車照明系統(tǒng)設(shè)計師現(xiàn)在有了簡便、高效的 LED 驅(qū)動器來源，可以應對最具挑戰(zhàn)性的 LED 照明設(shè)計了。