LED 背光照明在汽車顯示器照明中占據(jù)主導(dǎo)地位

　　引言

　　有一些關(guān)鍵應(yīng)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(zhǎng)，這類應(yīng)用包括高清 （HD） 電視機(jī)、便攜式平板電腦、汽車信息娛樂(lè)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(zhǎng)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(shí)現(xiàn)更高的對(duì)比度和色彩準(zhǔn)確度。此外，在汽車、航空電子和航海顯示器中，在必須改進(jìn)所有這些參數(shù)的同時(shí)，LED 還要適應(yīng)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(yīng)用包括信息娛樂(lè)系統(tǒng)、計(jì)量表和多種儀表顯示器。當(dāng)然，用 LED 給這些顯示器進(jìn)行背光照明會(huì)造成一些獨(dú)特的 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，因?yàn)橐诙喾N照明條件下優(yōu)化顯示器的可讀性。LED 驅(qū)動(dòng)器需要提供非常寬的調(diào)光范圍和高效率轉(zhuǎn)換，同時(shí)還需要適應(yīng)嚴(yán)酷的汽車電氣及物理環(huán)境。更不用說(shuō)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(shí)還要提高總體性價(jià)比。

　　促使 LED 在汽車顯示器中增長(zhǎng)的因素是什么？

　　為了支持在汽車照明應(yīng)用中的驚人增長(zhǎng)，LED 必須比白熾燈更有優(yōu)勢(shì)。LED 的優(yōu)勢(shì)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(jìn)一步發(fā)展，其效率或從電源產(chǎn)生光輸出的能力只會(huì)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(jiàn)的有毒水銀蒸汽。最后，白熾燈通常經(jīng)過(guò)大約 1，000 小時(shí)運(yùn)行后就需要更換，而熒光燈則可以運(yùn)行長(zhǎng)達(dá) 1 萬(wàn)小時(shí)。不過(guò)，與 LED 照明提供的 10 萬(wàn)小時(shí)以上的壽命相比，這些數(shù)字就相形見(jiàn)絀了。

　　在大多數(shù)應(yīng)用中，這種長(zhǎng)運(yùn)行壽命使 LED 能夠永久性地嵌入到最終應(yīng)用中。對(duì)于給汽車儀器儀表以及信息娛樂(lè)系統(tǒng)的顯示器提供背光照明而言，這一點(diǎn)尤其重要，因?yàn)檫@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(guò)采用紅、綠和藍(lán)光 LED 配置，可以提供無(wú)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(yuǎn)遠(yuǎn)快于人眼能夠察覺(jué)到的速度，從而顯著改進(jìn)了 LCD 顯示器的背光照明，同時(shí)使顯示畫面實(shí)現(xiàn)了極高的對(duì)比度和更高的分辨率。

　　汽車應(yīng)用采用 LED 面臨的障礙

　　然而，汽車照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。既然 LED 一般需要一個(gè)準(zhǔn)確和高效率的電流源以及一種調(diào)光方法，那么 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 就必須設(shè)計(jì)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(jiān)固、可靠，同時(shí)還要非常緊湊且具備高性價(jià)比。可以說(shuō)，就驅(qū)動(dòng) LED 而言，要求最苛刻的應(yīng)用之一就是汽車信息娛樂(lè)和儀表 TFT-LCD 的背光照明，因?yàn)檫@種背光照明應(yīng)用處于嚴(yán)酷的汽車電氣環(huán)境中，還必須補(bǔ)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(shí)，這類應(yīng)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(jì)都采用單個(gè)照明板給所有用于駕駛員控制的計(jì)量表顯示器進(jìn)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(lè)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(jī)都提供 LCD 顯示器，為乘客提供電影、視頻游戲等娛樂(lè)活動(dòng)。過(guò)去，這些顯示器一直使用 CCFL 背光照明，不過(guò)現(xiàn)在越來(lái)越常見(jiàn)的是，用非常扁平的白光 LED 陣列取代這些使用相對(duì)較大照明燈的設(shè)計(jì)，以提供更加精確和可調(diào)的背光照明并延長(zhǎng)使用壽命。

　　汽車 LED 照明設(shè)計(jì)要求

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

　　汽車行業(yè)的主要挑戰(zhàn)之一是，應(yīng)對(duì)嚴(yán)酷的汽車電源總線電氣環(huán)境。主要挑戰(zhàn)是應(yīng)對(duì)稱為“拋載”和“冷車發(fā)動(dòng)”的瞬態(tài)情況。拋載指的是，電池電纜斷接而交流發(fā)電機(jī)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(shí)汽車正在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)，或者在電池電纜斷裂同時(shí)汽車正在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)。這種電池電纜的突然斷接可能產(chǎn)生高達(dá) 40V 的瞬態(tài)電壓尖峰，因?yàn)榻涣靼l(fā)電機(jī)試圖給并未連接電池滿充電。交流發(fā)電機(jī)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(jī)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(shí)，這些轉(zhuǎn)換器能夠不被損壞并能夠調(diào)節(jié)輸出電壓。現(xiàn)在有各種不同的保護(hù)電路，通常采用浪涌抑制器，因?yàn)槔擞恳种破骺梢栽谕獠繉?shí)現(xiàn)。不過(guò)，浪涌抑制器增大了成本、重量和占用的空間。

　　當(dāng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)處于很冷或冰凍溫度中一段時(shí)間后，會(huì)發(fā)生冷車發(fā)動(dòng)情況。這時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)油變得極度粘稠，需要發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)器提供更大的扭矩，而這會(huì)從電池吸取更大的電流。這種大電流負(fù)載在點(diǎn)火瞬間可能將電池 / 主總線電壓拉低至 4.0V，之后一般回復(fù)至標(biāo)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(gè)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(hù)至 40V，因此該器件非常適合汽車環(huán)境。甚至當(dāng) VIN 高于 VOUT 時(shí) （這種情況可能在 36V 瞬態(tài)時(shí)發(fā)生），LT3599 仍會(huì)提供穩(wěn)定的所需輸出電壓。

　　大多數(shù) LCD 背光照明應(yīng)用都需要 10W 至 15W LED 功率，LT3599 的設(shè)計(jì)滿足這種應(yīng)用需求。該器件可以將汽車總線電壓 （標(biāo)稱 12V） 提高至 44V，以驅(qū)動(dòng)多達(dá) 4 個(gè)并聯(lián)的 LED 串 （每串包含 10 個(gè) 100mA 串聯(lián) LED）。圖 2 顯示了 LT3599 驅(qū)動(dòng) 4 個(gè)并聯(lián) LED 串的原理圖，每串由 10 個(gè) 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(yīng)反饋環(huán)路設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)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(shuō)明了 LT3599 的效率，其效率可高達(dá) 90%。這很重要，因?yàn)檫@樣就不需要任何散熱器了，從而可實(shí)現(xiàn)占板面積非常緊湊的扁平解決方案。對(duì)于驅(qū)動(dòng) LED 陣列而言，同樣重要的是提供準(zhǔn)確的電流匹配，以確保整個(gè)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?fù)?。其?nèi)部的 44V、2A 開關(guān)能夠驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) LED 串 （每串包括多達(dá) 10 個(gè) 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(jī)頻段以外，同時(shí)最大限度減小外部組件尺寸。該器件的設(shè)計(jì)還使其能夠驅(qū)動(dòng) 1 至 4 個(gè) 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(gè) 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(duì)稱形式運(yùn)行。

　　LT3599 可用 True Color PWM™ 調(diào)光方法對(duì) LED 調(diào)光，或通過(guò)控制引腳用模擬調(diào)光方法對(duì) LED 調(diào)光。True Color PWM 提供高達(dá) 3，000:1 的調(diào)光比，汽車應(yīng)用常常需要這么高的調(diào)光比。通過(guò)以滿電流對(duì) LED 進(jìn)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(jué)不到。模擬調(diào)光提供了一種非常簡(jiǎn)便的方法，通過(guò)改變 CNTRL 引腳電壓的值，可實(shí)現(xiàn)高達(dá) 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(hù)功能，包括開路和短路保護(hù)以及報(bào)警引腳。

　　結(jié)論

　　高亮度 （HB） LED 用于汽車應(yīng)用的增長(zhǎng)潛力很大，可以毫無(wú)疑問(wèn)地說(shuō)，相對(duì)于今天的采用率而言，這會(huì)導(dǎo)致對(duì) LED 本身以及驅(qū)動(dòng) LED 所需的驅(qū)動(dòng)器 IC 的需求出現(xiàn)顯著增長(zhǎng)。凌力爾特已經(jīng)開發(fā)出專門針對(duì)汽車應(yīng)用的完整大電流 LED 驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品系列，適用于從 LCD 背光照明、轉(zhuǎn)向信號(hào)燈直至前燈的各種應(yīng)用。汽車照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)師現(xiàn)在有了簡(jiǎn)便、高效的 LED 驅(qū)動(dòng)器來(lái)源，可以應(yīng)對(duì)最具挑戰(zhàn)性的 LED 照明設(shè)計(jì)了。