高效LED背光照明在汽車顯示器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

中心議題：

• 高效LED背光照明在汽車顯示器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
• 汽車 LED 照明設(shè)計(jì)參數(shù)

解決方案：

• 采用 LT3760、效率為 90% 的 28W LED 背光照明電路

引言

根據(jù) Strategies Unlimited 公司的數(shù)據(jù) （參見圖 1），到 2012 年，高亮度 （HB） LED 的市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將達(dá)到 120 億美元，到 2015 年，該市場(chǎng)將增長(zhǎng)到 202 億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率為 30.6%。目前，用來給顯示器進(jìn)行背光照明的 LED 是這種前所未有的增長(zhǎng)的主要驅(qū)動(dòng)力。應(yīng)用包括高清電視機(jī)（HDTV）、汽車顯示器和大量手持式設(shè)備。為了保持這種令人驚嘆的增長(zhǎng)率，LED 不僅必須提供增強(qiáng)的可靠性、更低的功耗和更小 / 更扁平的外形尺寸，而且必須實(shí)現(xiàn)對(duì)比度、畫面清晰度和色彩準(zhǔn)確的明顯改進(jìn)。此外，汽車、航空電子設(shè)備和航海電子產(chǎn)品的顯示器必須最大限度地實(shí)現(xiàn)所有這些改進(jìn)，同時(shí)能接受從明亮的太陽光到?jīng)]有月亮的夜晚等多種環(huán)境照明條件。這些由晶體管液晶顯示器（TFT-LCD） 實(shí)現(xiàn)的顯示應(yīng)用包括信息娛樂系統(tǒng)、計(jì)量表和種類繁多的儀表顯示器。用 LED 對(duì)這些顯示器進(jìn)行背光照明引起了一些獨(dú)特的 LED IC 驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，因?yàn)橐诙喾N環(huán)境照明條件下優(yōu)化顯示器的可讀性。這要求 LED 驅(qū)動(dòng)器能提供非常寬的調(diào)光比和高效率轉(zhuǎn)換，同時(shí)能承受汽車中相對(duì)苛刻的電及物理環(huán)境的嚴(yán)酷性。最后，這些解決方案必須提供非常扁平、緊湊的占板面積，同時(shí)提高性價(jià)比。

怎樣才能支持汽車照明市場(chǎng)如此令人驚嘆的增長(zhǎng)潛力？ 首先，在產(chǎn)生光方面，LED 的效率是白熾燈的 10 倍，同時(shí)幾乎是熒光燈的兩倍，包括冷陰極熒光燈 （CCFL），因此降低了提供給定量光輸出 （以流明為單位來衡量） 所需的電功率。隨著 LED 進(jìn)一步發(fā)展，其有效性或從電功率產(chǎn)生光流明的能力只會(huì)繼續(xù)提高。其次，我們身處于一個(gè)關(guān)注環(huán)境的世界，采用 LED 照明時(shí)是不需要處理、接觸和清除 CCFL / 熒光燈中常見的有毒水銀蒸氣。最后，白熾燈大約每 1，000 小時(shí)就需要更換，而熒光燈可持續(xù)使用 1 萬小時(shí)，相比之下，LED 的壽命超過 10 萬小時(shí)。在大多數(shù)應(yīng)用中，這允許 LED 永久嵌入到最終應(yīng)用中。就汽車儀表 / 導(dǎo)航 / 信息娛樂系統(tǒng)控制板的背光照明而言，這一點(diǎn)尤其重要，這些控制板嵌入到汽車內(nèi)部，因?yàn)樵谄噳勖趦?nèi)，它們將永遠(yuǎn)不需要更換。此外，LED 比其他照明燈小和扁平幾個(gè)位數(shù)級(jí)，因此 LCD 平板顯示器可以非常薄，需要最低限度的汽車內(nèi)部空間。還有，通過使用紅、綠和藍(lán)光 LED 配置，可以提供無限多種顏色光。LED 還能以比人眼可檢測(cè)到的速度快得多的速度調(diào)光以及接通 / 斷開，從而實(shí)現(xiàn)了 LCD 顯示器背光照明的顯著改進(jìn)，同時(shí)允許極高的對(duì)比度和高分辨率。

汽車照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)師面臨的最大挑戰(zhàn)之一是，怎樣優(yōu)化最新一代 LED 的所有優(yōu)勢(shì)。因?yàn)?LED 一般需要準(zhǔn)確和高效率的 DC 電流源及調(diào)光方法，所以 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 必須設(shè)計(jì)為在多種條件下滿足這些要求。電源解決方案在功能和可靠性方面必須是高效率和可信賴，同時(shí)又非常緊湊和經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。按理，就驅(qū)動(dòng) LED 而言，要求最苛刻的應(yīng)用之一將會(huì)是汽車信息娛樂系統(tǒng)和儀表板 TFT-LCD 背光照明應(yīng)用，因?yàn)樗鼈兲幱趪?yán)酷的汽車電環(huán)境中，必須補(bǔ)償范圍很寬的環(huán)境照明條件變化，而且必須能放入非常受限的空間中，必須做到所有這一切的同時(shí)，還要保持富有吸引力的成本結(jié)構(gòu)。

汽車 LED 背光照明

諸如尺寸小、壽命極長(zhǎng)、功耗低和調(diào)光能力增強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)已經(jīng)導(dǎo)致 LED TFT-LCD 背光照明在今天的汽車、卡車、火車、飛機(jī)和輪船中得到了廣泛采用。LED 背光照明主要是從信息娛樂系統(tǒng)開始的，這類系統(tǒng)一般有一個(gè) LCD 顯示屏，安裝在儀表板中央某個(gè)部位，以便駕駛員和乘客都能非常容易地看到它們的位置、執(zhí)行音頻調(diào)諧和其他各種任務(wù)。很多新出現(xiàn)的汽車設(shè)計(jì)都利用單個(gè)儀表板，以對(duì)方便駕駛員實(shí)施控制的所有顯示儀表進(jìn)行背光照明，如圖 2 所示。對(duì)儀表板的 LED 背光照明常常是與信息娛樂系統(tǒng)共用的，從而非常容易讀取控制板上的數(shù)字。類似地，包括轎車和火車在內(nèi)的很多車輛以及還有安裝在飛機(jī)座椅背后的 LCD 顯示器，可供乘客看電影、玩視頻游戲等等。歷史上，這類顯示器一直使用 CCFL 背光照明，不過用非常扁平的白光 LED 陣列替換相對(duì)較大的 CCFL 燈，以提供更準(zhǔn)確和可調(diào)節(jié)的背光照明以及能超過車輛或飛機(jī)壽命的工作壽命，這已經(jīng)變得越來越常見了。

在這類環(huán)境中采用 LED 有幾種積極的意義。首先，LED 永遠(yuǎn)不需要更換，因?yàn)樗鼈兊目煽繅勖^ 10 萬小時(shí) （11.5 年的使用年限），已經(jīng)超過了車輛壽命。這允許汽車制造商將 LED 永久性地嵌入到車內(nèi)背光照明系統(tǒng)中，而不需要為更換留有余地。因?yàn)?LED 照明系統(tǒng)不需要 CCFL 燈那么大的深度或面積，所以款式也可以顯著改變。另外，在從輸入電功率提供光輸出 （以流明為單位） 方面，LED 一般比白熾燈的效率高。這有兩種積極作用。首先，LED 從汽車總線泄漏較少的電功率，而且同樣重要的是，LED 減少了需要在顯示器中散發(fā)的熱量，從而無需笨重、昂貴的散熱器。

LED 背光照明的另一個(gè)重要好處是，高性能 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 提供的寬調(diào)光比能力。由于汽車內(nèi)部經(jīng)受著范圍非常寬的環(huán)境照明條件變化，包括從太陽光直射到完全黑暗之間的每一種變化，而人眼對(duì)光輸出中的微小擾動(dòng)又非常敏感，顯示屏需要相應(yīng)地調(diào)暗或調(diào)亮，因此首要的是，LED 背光照明系統(tǒng)能提供從 1，000:1 到高達(dá) 30，000:1 的非常寬調(diào)光比。采用合適的 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC，這類寬調(diào)光比相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，而用 CCFL 背光照明則是不可能的。圖 3 顯示了一個(gè) LED 背光照明儀表板和共享 LED 背光照明的信息娛樂系統(tǒng)顯示屏。

汽車 LED 照明設(shè)計(jì)參數(shù)

為了確保最佳性能和長(zhǎng)工作壽命，LED 需要有效的驅(qū)動(dòng)電路。這類驅(qū)動(dòng)器 IC 必須能靠條件相當(dāng)苛刻的汽車電源總線工作，而且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、空間利用效率高。為了保持長(zhǎng)工作壽命，首要的是，不要超過 LED 的電流和溫度限制。

汽車行業(yè)的主要挑戰(zhàn)之一是，克服汽車電源總線上嚴(yán)酷的電環(huán)境。這些主要挑戰(zhàn)是稱為負(fù)載突降和冷車發(fā)動(dòng)的瞬態(tài)情況。負(fù)載突降指的是，電池電纜斷接同時(shí)交流發(fā)電機(jī)仍然在給電池充電的情況。當(dāng)電池電纜連接不牢固而汽車正在運(yùn)行時(shí)，或當(dāng)電池電纜斷開而汽車正在行駛時(shí)，可能發(fā)生這種情況。電池電纜這種突然斷接能產(chǎn)生高達(dá) 40V 的瞬態(tài)電壓尖峰，因?yàn)榻涣靼l(fā)電機(jī)正在嘗試給已經(jīng)不存在的電池充滿電。交流發(fā)電機(jī)上的瞬態(tài)電壓抑制器通常將總線電壓箝位到大約 36V，并吸收大部分電流浪涌；不過交流發(fā)電機(jī)下游的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器要承受這 36V 至 40V 的瞬態(tài)電壓尖峰。這些轉(zhuǎn)換器要求不被損壞，并在這種瞬態(tài)事件發(fā)生時(shí)調(diào)節(jié)輸出電壓。有各種不同的保護(hù)電路可供選擇，通常是瞬態(tài)電壓抑制器，瞬態(tài)電壓抑制器可以在外部采用，不過增加了成本和重量，并占用空間。

“冷車發(fā)動(dòng)”指的是，當(dāng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)承受寒冷或冰凍溫度一段時(shí)間時(shí)發(fā)生的情況。發(fā)動(dòng)機(jī)油變得極度黏滯，需要發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)器提供更大的扭矩，這反過來又從電池吸取更大的電流。這種大電流負(fù)載在點(diǎn)火時(shí)可能將電池 / 主總線電壓拉低至 6V，之后負(fù)載通常返回標(biāo)稱的 12V。

幸運(yùn)的是，對(duì)這些問題已經(jīng)有了解決方案，那就是凌力爾特公司的 LT3760，該器件能在這兩種情況出現(xiàn)時(shí)不被損壞，并調(diào)節(jié)一個(gè)固定輸出電壓。LT3760 6V 至 40V 的輸入電壓范圍使其非常適用于汽車環(huán)境。甚至當(dāng) VIN 大于 VOUT （這種情況可能在 40V 瞬態(tài)時(shí)發(fā)生） 時(shí)，LT3760 仍將調(diào)節(jié)所需的 LED 電流。

由于大多數(shù)汽車 LCD 背光照明應(yīng)用都需要 20W 至 35W 的 LED 功率，