LED 背光照明在汽車(chē)顯示器照明中占據主導地位

　　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 出現了爆炸性增長(cháng)，這類(lèi)應用包括高清 （HD） 電視機、便攜式平板電腦、汽車(chē)信息娛樂(lè )顯示器和大量手持式通信設備。然而，為了保持這種驚人的增長(cháng)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)現更高的對比度和色彩準確度。此外，在汽車(chē)、航空電子和航海顯示器中，在必須改進(jìn)所有這些參數的同時(shí)，LED 還要適應從日光到?jīng)]有月亮的夜晚等多種環(huán)境光線(xiàn)條件。

　　這些 TFT-LCD 應用包括信息娛樂(lè )系統、計量表和多種儀表顯示器。當然，用 LED 給這些顯示器進(jìn)行背光照明會(huì )造成一些獨特的 LED 驅動(dòng)器 IC 設計挑戰，因為要在多種照明條件下優(yōu)化顯示器的可讀性。LED 驅動(dòng)器需要提供非常寬的調光范圍和高效率轉換，同時(shí)還需要適應嚴酷的汽車(chē)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?xún)r(jià)比。

　　促使 LED 在汽車(chē)顯示器中增長(cháng)的因素是什么？

　　為了支持在汽車(chē)照明應用中的驚人增長(cháng)，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(zhù) 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 )繼續提高。此外，我們現在非常關(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)運行后就需要更換，而熒光燈則可以運行長(cháng)達 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，這些數字就相形見(jiàn)絀了。

　　在大多數應用中，這種長(cháng)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(chē)儀器儀表以及信息娛樂(lè )系統的顯示器提供背光照明而言，這一點(diǎn)尤其重要，因為這些顯示器常常嵌入到汽車(chē)儀表板中，而 LED 在汽車(chē)的工作壽命期內不需要更換。此外，LED 比其他類(lèi)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(chē)內部占用最小的空間。還有，通過(guò)采用紅、綠和藍光 LED 配置，可以提供無(wú)限多種色彩。不僅如此，LED 調光以及接通 / 斷開(kāi)的速度還能夠遠遠快于人眼能夠察覺(jué)到的速度，從而顯著(zhù)改進(jìn)了 LCD 顯示器的背光照明，同時(shí)使顯示畫(huà)面實(shí)現了極高的對比度和更高的分辨率。

　　汽車(chē)應用采用 LED 面臨的障礙

　　然而，汽車(chē)照明系統設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(diǎn)和優(yōu)勢。既然 LED 一般需要一個(gè)準確和高效率的電流源以及一種調光方法，那么 LED 驅動(dòng)器 IC 就必須設計成在多種工作條件下滿(mǎn)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(shí)還要非常緊湊且具備高性?xún)r(jià)比?？梢哉f(shuō)，就驅動(dòng) LED 而言，要求最苛刻的應用之一就是汽車(chē)信息娛樂(lè )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(chē)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(shí)，這類(lèi)應用必須具備富有吸引力的成本結構。

　　很多新出現的汽車(chē)設計都采用單個(gè)照明板給所有用于駕駛員控制的計量表顯示器進(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，產(chǎn)生了一種易讀的一體化控制面板。類(lèi)似地，很多汽車(chē)、火車(chē)和飛機都提供 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較大照明燈的設計，以提供更加精確和可調的背光照明并延長(cháng)使用壽命。

　　汽車(chē) LED 照明設計要求

　　為了確保最佳性能和較長(cháng)的工作壽命，LED 需要一個(gè)有效的驅動(dòng)電路。這類(lèi)驅動(dòng)器 IC 必須能夠靠條件相當苛刻的汽車(chē)電源總線(xiàn)運行，而且還必須具備很高的性?xún)r(jià)比和很高的空間利用效率。為了保持較長(cháng)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(chē)行業(yè)的主要挑戰之一是，應對嚴酷的汽車(chē)電源總線(xiàn)電氣環(huán)境。主要挑戰是應對稱(chēng)為“拋載”和“冷車(chē)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(chē)正在運行時(shí)出現，或者在電池電纜斷裂同時(shí)汽車(chē)正在運行時(shí)出現。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(mǎn)充電。交流發(fā)電機上的浪涌抑制器通常將總線(xiàn)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(lèi)瞬態(tài)事件時(shí)，這些轉換器能夠不被損壞并能夠調節輸出電壓?，F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(shí)現。不過(guò)，浪涌抑制器增大了成本、重量和占用的空間。

　　當汽車(chē)發(fā)動(dòng)機處于很冷或冰凍溫度中一段時(shí)間后，會(huì )發(fā)生冷車(chē)發(fā)動(dòng)情況。這時(shí)發(fā)動(dòng)機油變得極度粘稠，需要發(fā)動(dòng)機啟動(dòng)器提供更大的扭矩，而這會(huì )從電池吸取更大的電流。這種大電流負載在點(diǎn)火瞬間可能將電池 / 主總線(xiàn)電壓拉低至 4.0V，之后一般回復至標稱(chēng)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(chē)環(huán)境。甚至當 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 )提供穩定的所需輸出電壓。

　　大多數 LCD 背光照明應用都需要 10W 至 15W LED 功率，LT3599 的設計滿(mǎn)足這種應用需求。該器件可以將汽車(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 （每串包含 10 個(gè) 100mA 串聯(lián) LED）。圖 2 顯示了 LT3599 驅動(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 采用自適應反饋環(huán)路設計，該設計方案調節輸出電壓，使其略高于 LED 串的最高電壓。這最大限度減小了鎮流電路損失的功率以?xún)?yōu)化效率。圖 3 說(shuō)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(shí)現占板面積非常緊湊的扁平解決方案。對于驅動(dòng) 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(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、恒定電流升壓型轉換器拓撲。其內部的 44V、2A 開(kāi)關(guān)能夠驅動(dòng) 4 個(gè) LED 串 （每串包括多達 10 個(gè) 100mA 串聯(lián) LED）。其開(kāi)關(guān)頻率在 200kHz 至 2.5MHz 范圍內是可編程和可同步的，從而使該器件能夠保持開(kāi)關(guān)頻率位于 AM 收音機頻段以外，同時(shí)最大限度減小外部組件尺寸。該器件的設計還使其能夠驅動(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 串可以使用相同數量的 LED，也可以使用不同數量的 LED，以非對稱(chēng)形式運行。

　　LT3599 可用 True Color PWM™ 調光方法對 LED 調光，或通過(guò)控制引腳用模擬調光方法對 LED 調光。True Color PWM 提供高達 3，000:1 的調光比，汽車(chē)應用常常需要這么高的調光比。通過(guò)以滿(mǎn)電流對 LED 進(jìn)行 PWM 調光，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)現高達 20:1 的調光比。這種調光方法的效果取決于 LCD 面板所處環(huán)境光線(xiàn)的變化。最后，LT3599 集成了保護功能，包括開(kāi)路和短路保護以及報警引腳。

　　結論

　　高亮度 （HB） LED 用于汽車(chē)應用的增長(cháng)潛力很大，可以毫無(wú)疑問(wèn)地說(shuō)，相對于今天的采用率而言，這會(huì )導致對 LED 本身以及驅動(dòng) LED 所需的驅動(dòng)器 IC 的需求出現顯著(zhù)增長(cháng)。凌力爾特已經(jīng)開(kāi)發(fā)出專(zhuān)門(mén)針對汽車(chē)應用的完整大電流 LED 驅動(dòng)器產(chǎn)品系列，適用于從 LCD 背光照明、轉向信號燈直至前燈的各種應用。汽車(chē)照明系統設計師現在有了簡(jiǎn)便、高效的 LED 驅動(dòng)器來(lái)源，可以應對最具挑戰性的 LED 照明設計了。