汽車(chē)顯示器追求更明亮的背光照明

根據 Strategies Unlimited 公司的數據 (參見(jiàn)圖 1)，到 2012 年，高亮度 (HB) LED 的市場(chǎng)規模預計將達到 120 億美元，到 2015 年，該市場(chǎng)將增長(cháng)到 202 億美元，年復合增長(cháng)率為 30.6%。目前，用來(lái)給顯示器進(jìn)行背光照明的 LED 是這種前所未有的增長(cháng)的主要驅動(dòng)力。應用包括高清電視機 (HDTV)、汽車(chē)顯示器和大量手持式設備。

為了保持這種令人驚嘆的增長(cháng)率，LED 不僅必須提供增強的可靠性、更低的功耗和更小 / 更扁平的外形尺寸，而且必須實(shí)現對比度、畫(huà)面清晰度和色彩準確的明顯改進(jìn)。此外，汽車(chē)、航空電子設備和航海電子產(chǎn)品的顯示器必須最大限度地實(shí)現所有這些改進(jìn)，同時(shí)能接受從明亮的太陽(yáng)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)現的顯示應用包括信息娛樂(lè )系統、計量表和種類(lèi)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特的 LED IC 驅動(dòng)器設計挑戰，因為要在多種環(huán)境照明條件下優(yōu)化顯示器的可讀性。這要求 LED 驅動(dòng)器能提供非常寬的調光比和高效率轉換，同時(shí)能承受汽車(chē)中相對苛刻的電及物理環(huán)境的嚴酷性。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?xún)r(jià)比。

圖 1：高亮度 LED 市場(chǎng)預測。

怎樣才能支持汽車(chē)照明市場(chǎng)如此令人驚嘆的增長(cháng)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(lái)衡量) 所需的電功率。隨著(zhù) 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(jiàn)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，而熒光燈可持續使用 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 永久嵌入到最終應用中。就汽車(chē)儀表 / 導航 / 信息娛樂(lè )系統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(chē)內部，因為在汽車(chē)壽命期內，它們將永遠不需要更換。此外，LED 比其他照明燈小和扁平幾個(gè)位數級，因此 LCD 平板顯示器可以非常薄，需要最低限度的汽車(chē)內部空間。還有，通過(guò)使用紅、綠和藍光 LED 配置，可以提供無(wú)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光以及接通 / 斷開(kāi)，從而實(shí)現了 LCD 顯示器背光照明的顯著(zhù)改進(jìn)，同時(shí)允許極高的對比度和高分辨率。

汽車(chē)照明系統設計師面臨的最大挑戰之一是，怎樣優(yōu)化最新一代 LED 的所有優(yōu)勢。因為 LED 一般需要準確和高效率的 DC 電流源及調光方法，所以 LED 驅動(dòng)器 IC 必須設計為在多種條件下滿(mǎn)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(lài)，同時(shí)又非常緊湊和經(jīng)濟實(shí)惠。按理，就驅動(dòng) LED 而言，要求最苛刻的應用之一將會(huì )是汽車(chē)信息娛樂(lè )系統和儀表板 TFT-LCD 背光照明應用，因為它們處于嚴酷的汽車(chē)電環(huán)境中，必須補償范圍很寬的環(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構。

汽車(chē) LED 背光照明

諸如尺寸小、壽命極長(cháng)、功耗低和調光能力增強等優(yōu)勢已經(jīng)導致 LED TFT-LCD 背光照明在今天的汽車(chē)、卡車(chē)、火車(chē)、飛機和輪船中得到了廣泛采用。LED 背光照明主要是從信息娛樂(lè )系統開(kāi)始的，這類(lèi)系統一般有一個(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、執行音頻調諧和其他各種任務(wù)。很多新出現的汽車(chē)設計都利用單個(gè)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(lè )系統共用的，從而非常容易讀取控制板上的數字。類(lèi)似地，包括轎車(chē)和火車(chē)在內的很多車(chē)輛以及還有安裝在飛機座椅背后的 LCD 顯示器，可供乘客看電影、玩視頻游戲等等。歷史上，這類(lèi)顯示器一直使用 CCFL 背光照明，不過(guò)用非常扁平的白光 LED 陣列替換相對較大的 CCFL 燈，以提供更準確和可調節的背光照明以及能超過(guò)車(chē)輛或飛機壽命的工作壽命，這已經(jīng)變得越來(lái)越常見(jiàn)了。

圖 2：LED 背光照明儀表板。

在這類(lèi)環(huán)境中采用 LED 有幾種積極的意義。首先，LED 永遠不需要更換，因為它們的可靠壽命超過(guò) 10 萬(wàn)小時(shí) (11.5 年的使用年限)，已經(jīng)超過(guò)了車(chē)輛壽命。這允許汽車(chē)制造商將 LED 永久性地嵌入到車(chē)內背光照明系統中，而不需要為更換留有余地。因為 LED 照明系統不需要 CCFL 燈那么大的深度或面積，所以款式也可以顯著(zhù)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(chē)總線(xiàn)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(wú)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 驅動(dòng)器 IC 提供的寬調光比能力。由于汽車(chē)內部經(jīng)受著(zhù)范圍非常寬的環(huán)境照明條件變化，包括從太陽(yáng)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(dòng)又非常敏感，顯示屏需要相應地調暗或調亮，因此首要的是，LED 背光照明系統能提供從 1,000:1 到高達 30,000:1 的非常寬調光比。采用合適的 LED 驅動(dòng)器 IC，這類(lèi)寬調光比相對容易實(shí)現，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(lè )系統顯示屏。

圖 3：LED 背光照明儀表板和導航顯示器。

汽車(chē) LED 照明設計參數

為了確保最佳性能和長(cháng)工作壽命，LED 需要有效的驅動(dòng)電路。這類(lèi)驅動(dòng)器 IC 必須能靠條件相當苛刻的汽車(chē)電源總線(xiàn)工作，而且經(jīng)濟實(shí)惠、空間利用效率高。為了保持長(cháng)工作壽命，首要的是，不要超過(guò) LED 的電流和溫度限制。

汽車(chē)行業(yè)的主要挑戰之一是，克服汽車(chē)電源總線(xiàn)上嚴酷的電環(huán)境。這些主要挑戰是稱(chēng)為負載突降和冷車(chē)發(fā)動(dòng)的瞬態(tài)情況。負載突降指的是，電池電纜斷接同時(shí)交流發(fā)電機仍然在給電池充電的情況。當電池電纜連接不牢固而汽車(chē)正在運行時(shí)，或當電池電纜斷開(kāi)而汽車(chē)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 40V 的瞬態(tài)電壓尖峰，因為交流發(fā)電機正在嘗試給已經(jīng)不存在的電池充滿(mǎn)電。交流發(fā)電機上的瞬態(tài)電壓抑制器通常將總線(xiàn)電壓箝位到大約 36V，并吸收大部分電流浪涌；不過(guò)交流發(fā)電機下游的 DC/DC 轉換器要承受這 36V 至 40V 的瞬態(tài)電壓尖峰。這些轉換器要求不被損壞，并在這種瞬態(tài)事件發(fā)生時(shí)調節輸出電壓。有各種不同的保護電路可供選擇，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(guò)增加了成本和重量，并占用空間。