全新汽車(chē)顯示屏所需的背光照明LED驅動(dòng)器設計

引言

　　根據Strategies Unlimited 公司的研究，2010年，高亮度LED的市場(chǎng)規模預計將達到82億美元，而且到2015年，預計將增長(cháng)到202億美元，年復合增長(cháng)率(CAGR)為 30.6%。目前用來(lái)給顯示屏進(jìn)行背光照明的LED是這種增長(cháng)的主要驅動(dòng)因素，其應用包括高清電視機、汽車(chē)顯示屏、大量手持式設備等。要保持高增長(cháng)率，LED 不僅需要提供更高的可靠性、更低的功耗和更小/更平的外形尺寸，而且還需改進(jìn)對比度、畫(huà)質(zhì)清晰度和色彩準確度。此外，汽車(chē)、航空電子和船舶顯示屏還要適合多種環(huán)境照明條件，如明亮的日光、昏暗的夜晚等。這些晶體管液晶顯示屏 (TFT-LCD) 的應用非常廣泛，從信息娛樂(lè )系統、計量表到多種儀表，用 LED 對這些顯示屏進(jìn)行背光照明時(shí)，為了在種類(lèi)繁雜的環(huán)境照明條件下優(yōu)化顯示屏的易讀性，會(huì )帶來(lái)一些獨特的 LED IC 驅動(dòng)器設計挑戰，這要求 LED 驅動(dòng)器能夠提供非常寬的調光范圍和高效率，并承受相對苛刻和嚴酷的汽車(chē)電氣及物理環(huán)境的考驗。最后，這些解決方案必須是扁平的，且占板面積緊湊，以提高成本效益。

　　LED在汽車(chē)照明市場(chǎng)的快速增長(cháng)源于如下幾個(gè)因素：首先，LED 的發(fā)光效率比白熾燈高 10 倍多，幾乎是熒光燈效率的兩倍，其中包括冷陰極熒光燈 (CCFL），因此減少了提供一定量光輸出 (以流明為單位) 所需的電功率以及其所產(chǎn)生的熱量。隨著(zhù) LED 的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，其用電功率產(chǎn)生流明的效率只會(huì )持續提高。其次，LED 照明不需要處理、接觸和清除 CCFL/熒光燈中常見(jiàn)的有毒水銀蒸氣，這很好滿(mǎn)足了綠色環(huán)保的要求。第三，大約每用 1000 個(gè)小時(shí)，白熾燈就需要更換，熒光燈的持續使用時(shí)間達到1萬(wàn)小時(shí)，相比之下，LED 的壽命超過(guò)10萬(wàn)小時(shí)。在大多數應用中，這允許 LED 永久性地嵌入到最終應用中，而無(wú)需附屬裝置。對于嵌入到汽車(chē)內部的儀表/導航/信息娛樂(lè )系統顯示屏的背光照明而言，這尤其重要，因為在汽車(chē)的壽命期內，它們永遠都不需要更換。此外，LED 比其它照明燈小和扁平數個(gè)量級，因此 LCD 顯示屏可以非常薄，因此在汽車(chē)內部所需空間最小。此外，通過(guò)采用紅、綠和藍光 LED 配置，可以提供無(wú)限多種色彩。LED 還能夠以比人眼能檢測到的速度快得多的速度調光和接通/斷開(kāi)，從而顯著(zhù)改進(jìn)了 LCD 顯示屏的背光照明，同時(shí)實(shí)現了極高的對比度和分辨率。

　　汽車(chē)照明系統設計師面臨的最大挑戰之一是，如何優(yōu)化最新一代 LED 的所有優(yōu)勢。由于 LED 一般需要一個(gè)準確和高效率的 DC 電流源和一種調光方法，因此 LED 驅動(dòng)器 IC 的設計必須在各種各樣的條件下滿(mǎn)足這些要求。電源解決方案必須是高效率、功能可靠、緊湊且經(jīng)濟實(shí)惠的?？梢哉f(shuō)，對于 LED 驅動(dòng)來(lái)說(shuō)，將會(huì )在航空電子、船舶和汽車(chē)信息娛樂(lè )系統 TFT-LCD 背光照明應用中發(fā)現要求最苛刻的應用，因為這些應用必須面對嚴酷的汽車(chē)電氣環(huán)境，必須補償變化范圍很大的環(huán)境照明條件，必須放在非常受限的空間中，與此同時(shí)，要保持具有吸引力的成本結構。

汽車(chē) LED 背光照明

　　諸如小尺寸、極長(cháng)的壽命、低功耗和增強的調光能力等優(yōu)勢已經(jīng)引發(fā)了 LED TFT-LCD 背光照明在今天的汽車(chē)、飛機和船舶中的廣泛應用。信息娛樂(lè )系統通常有一個(gè)安裝在儀表板中央某處的 LCD 顯示屏，以便駕駛員和乘客都能非常容易地查看地點(diǎn)、進(jìn)行音頻調諧和完成其它各種任務(wù)。此外，很多汽車(chē)在后座上還有為乘客提供娛樂(lè )的 LCD 顯示屏，提供電影、視頻游戲等等。歷史上，這些顯示屏使用 CCFL 背光照明，但是用非常扁平的白光 LED 陣列取代這些相對較大的 CCFL 燈的做法正在變得越來(lái)越常見(jiàn)，白光 LED 提供更準確和可調的背光照明，以及很容易超過(guò)汽車(chē)壽命的使用壽命。

　　在這種環(huán)境中使用 LED 的好處是，可以產(chǎn)生幾種正面影響。首先，它們永遠不需要更換，因為它們的可靠壽命長(cháng)達 10 萬(wàn)多小時(shí) (使用年限為 11.5 年)，超過(guò)了汽車(chē)本身的壽命。這允許汽車(chē)制造商永久性地將它們嵌入到車(chē)內的背光照明系統中，而無(wú)需考慮便于更換的問(wèn)題?？钍娇赡芤彩且粋€(gè)顯著(zhù)變化之處，因為 LED 照明系統不需要像 CCFL 燈那樣占用那么深的空間或那么大的面積。在從輸入電源提供光輸 (以流明為單位) 方面，LED 一般也比熒光燈的效率高。這有兩種積極的影響。第一，這對汽車(chē)總線(xiàn)提供的電功率消耗得較少，另外同樣重要的是，這減少了需要在顯示屏中消散的熱量，從而無(wú)需任何笨重和昂貴的散熱裝置。

　　LED 照明的另一個(gè)重要好處是，高性能 LED 驅動(dòng)器 IC 提供的寬調光比能力。由于汽車(chē)內部的環(huán)境照明條件變化范圍很大，包括從直接日光照明到完全黑暗之間的每一種變化，因此 LED 背光照明系統必須能夠提供非常大的調光比，一般高達 30,000:1。采用合適的 LED 驅動(dòng)器 IC，這種大的調光比相對容易實(shí)現，而用 CCFL 背光照明則不可能。圖 1 示意了一個(gè)典型的基于 LCD 的模擬儀表板。

圖1模擬儀表板

汽車(chē) LED 照明的設計參數

　　為了確保最佳性能和長(cháng)的工作壽命，LED 需要一個(gè)有效的驅動(dòng)電路。這些驅動(dòng)器 IC 必須依靠條件苛刻的汽車(chē)電源總線(xiàn)工作。而為了保持 LED 更長(cháng)的工作壽命，設計時(shí)要求不能超過(guò) LED 電流和溫度限制。

汽車(chē)行業(yè)的主要挑戰之一是，克服汽車(chē)電源總線(xiàn)上要求苛刻的電氣環(huán)境，其主要的挑戰是瞬態(tài)情況，如大家熟知的負載突降和冷車(chē)發(fā)動(dòng)。負載突降情況指的是，在交流發(fā)電機仍然在給電池充電時(shí)，電池電纜斷開(kāi)。這可能在電池電纜松動(dòng)而汽車(chē)正在行駛時(shí)、或者在電池電纜斷裂而汽車(chē)正在行駛時(shí)發(fā)生。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)電機試圖給一個(gè)已經(jīng)斷接的電池充滿(mǎn)電。交流發(fā)電機上的瞬態(tài)電壓抑制器通常將總線(xiàn)電壓箝位到約 36V，并吸收大多數電流浪涌。不過(guò)，交流發(fā)電機下游的 DC/DC 轉換器要承受這些 36V 至 40V 的瞬態(tài)電壓尖峰，要確保這些轉換器在發(fā)生這種瞬態(tài)事件時(shí)不被損壞，而且輸出電壓穩定，可以在外部用不同的可替換保護電路實(shí)現，如常被選用的瞬態(tài)電壓抑制器，但這些方面將增加成本和重量并占用空間。

　　“冷車(chē)發(fā)動(dòng)”指的是汽車(chē)引擎處于寒冷或冰凍溫度一段時(shí)間后發(fā)生的情況。引擎機油變得極黏稠，需要引擎啟動(dòng)器提供更大的扭轉力，這反過(guò)來(lái)又從電池吸取了更大的電流。這種大電流負載可能在點(diǎn)火時(shí)將電池/主總線(xiàn)電壓拉至低于 4.0V，之后一般返回到標稱(chēng)的 12V。

　　目前，有一種新的解決方案可以幫助擺脫這種困境,凌力爾特公司推出 LT3599 ，能夠在出現這兩種情況時(shí)不被損壞，并調節一個(gè)固定的輸出電壓。該器件 3V 至 30V 的輸入電壓范圍和 40V 的瞬態(tài)保護使其適合于汽車(chē)環(huán)境。甚至當 VIN 高于 VOUT 時(shí) (這種情況可以在 36V 瞬態(tài)時(shí)發(fā)生)，LT3599 仍將調節所需的輸出電壓。

　　大多數 LCD 背光照明應用需要 10 W 至 15W 的 LED 功率，LT3599 可滿(mǎn)足該功率需求，且它能夠將汽車(chē)總線(xiàn)電壓 (標稱(chēng) 12V) 提高至44V，以驅動(dòng)多達 4 個(gè)并聯(lián)的 LED 串 (每串含有 10 個(gè)串聯(lián)的 100mA LED)。圖 2 顯示了 LT3599 驅動(dòng) 4 個(gè)并聯(lián) LED 串的原理圖，每串都由 10 個(gè) 80mA 的 LED 組成，總共提供 12W 功率。

　　LT3599 采用一種自適應反饋環(huán)路設計，該設計調節輸出電壓至略高于 LED 串的最高電壓，這最大限度地降低了鎮流電路中損失的功率，從而優(yōu)化了效率。圖 3 說(shuō)明了 LT3599 的效率，其效率可達 90%，從而無(wú)需任何散熱措施，實(shí)現了占板面積非常緊湊的扁平解決方案。就驅動(dòng) LED 陣列而言，同樣重要的是，能提供準確的電流匹配，以確保背光照明亮度在整個(gè)顯示屏上是一致的。LT3599 在 -40℃ 至 125℃ 的溫度范圍內保證 LED 的電流變化低于2%。

圖 2 采用 LT3599 構成的效率為90%的12W LED背光照明電路