高效LED背光照明:汽車顯示器設(shè)計(jì)方案

根據(jù)StrategiesUnlimited公司的數(shù)據(jù)（參見圖1），2012年，高亮度（HB）LED的市場規(guī)模達(dá)到120億美元，到2015年，該市場將增長到202億美元，年復(fù)合增長率為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的主要驅(qū)動力。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對這些顯示器進(jìn)行背光照明引起了一些獨(dú)特的LEDIC驅(qū)動器設(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)動器能提供非常寬的調(diào)光比和高效率轉(zhuǎn)換，同時能承受汽車中相對苛刻的電及物理環(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，同時提高性價比。

圖1：高亮度LED市場預(yù)測（Source：StrategiesUnlimited）

怎樣才能支持汽車照明市場如此令人驚嘆的增長潛力？首先，在產(chǎn)生光方面，LED的效率是白熾燈的10倍，同時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繼續(xù)提高。其次，我們身處于一個關(guān)注環(huán)境的世界，采用LED照明時是不需要處理、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小時就需要更換，而熒光燈可持續(xù)使用1萬小時，相比之下，LED的壽命超過10萬小時。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位數(shù)級，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)，同時允許極高的對比度和高分辨率。

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。因?yàn)長ED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，同時又非常緊湊和經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。按理，就驅(qū)動LED而言，要求最苛刻的應(yīng)用之一將會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，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、功耗低和調(diào)光能力增強(qiáng)等優(yōu)勢已經(jīng)導(dǎo)致LEDTFT-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LCD顯示屏，安裝在儀表板中央某個部位，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)都利用單個儀表板，以對方便駕駛員實(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。

圖2：LED背光照明儀表板

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（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)長ED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背光照明的另一個重要好處是，高性能LED驅(qū)動器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，而人眼對光輸出中的微小擾動又非常敏感，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)動器IC，這類寬調(diào)光比相對容易實(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。

圖3：LED背光照明儀表板和導(dǎo)航顯示器

對更高性能和經(jīng)濟(jì)實(shí)惠性永不滿足的需求驅(qū)動著 LED背光照明應(yīng)用在汽車顯示器中的持續(xù)加速。這些需求必須由新的LED驅(qū)動器IC來滿足。結(jié)果，這些LED驅(qū)動器必須提供恒定電流，以不管輸入電壓或 LED正向電壓如何變化都保持一致的亮度，必須以高效率工作，必須提供非常寬的調(diào)光比，且必須有各種保護(hù)功能以提高系統(tǒng)可靠性。當(dāng)然，這些LED驅(qū)動器電路還必須提供占板面積非常緊湊、扁平和熱效率高的解決方案。幸運(yùn)的是，凌力爾特公司在不斷重新定義LED驅(qū)動器系列，以用面向顯示器應(yīng)用的LT3760等高亮度LED驅(qū)動器IC迎頭客服這些苛刻的挑戰(zhàn)。此外，凌力爾特公司已經(jīng)開發(fā)出了一個完整、專門針對汽車應(yīng)用的大電流LED驅(qū)動器IC系列，涵蓋從LCD 背光照明到轉(zhuǎn)向指示信號燈以及先進(jìn)的前向照明前燈等各種應(yīng)用。隨著汽車照明系統(tǒng)繼續(xù)需要更高性能的LED驅(qū)動器，設(shè)計(jì)師們也將有滿足需求的IC解決方案。