汽車(chē)信息娛樂(lè )用LCD-TFT 屏需要用于背光照明的可靠 LED 驅動(dòng)器

引言

 　　根據法國 Yole Development 的預測，到 2012 年整個(gè) LED 市場(chǎng)規模將達到 103 億美元。高亮度和超高亮度 LED 總共將占這個(gè)總數當中的大約 44.5 億美元；幾乎是 2007 年 7.83 億美元市場(chǎng)規模 (基于封裝的 LED 統計) 的 5.5 倍。這種令人吃驚的增長(cháng)的主要推動(dòng)力之一是現代汽車(chē)中普遍采用了 LED 照明。LED 應用包括信息娛樂(lè )系統當中的薄膜晶體管液晶顯示屏 (TFT-LCD) 背光照明，以及儀表板、車(chē)內照明、剎車(chē)燈、日間行駛燈、轉向信號燈和最近出現的前燈。

 　　怎樣才能持續推動(dòng)汽車(chē)照明中這種令人矚目的增長(cháng)潛力呢? 首先，LED 產(chǎn)生的光要比白熾燈泡的效率高出十倍，幾乎是熒光燈光效的兩倍，包括冷陰極熒光燈 (CCFL)。這將減少提供給定光輸出 (單位流明) 量所需的電量以及熱量。隨著(zhù) LED 的進(jìn)一步發(fā)展，其利用電能產(chǎn)生光通量的效率將會(huì )繼續增加。其次，在一個(gè)非常重視環(huán)保的世界中，LED 照明不需要對常見(jiàn)于 CCFL 及熒光燈的有毒汞蒸汽進(jìn)行處理、暴露和處置。第三，白熾燈泡大約每 1,000 小時(shí)就需要進(jìn)行更換，熒光燈可以維持長(cháng)達 10000 小時(shí)，而 LED 的壽命可長(cháng)達 100000 小時(shí)以上。在大多數應用中，使這些 LED 可以永久地嵌入在最終應用當中，而無(wú)需使用一種固定裝置。這對背光照明的汽車(chē)導航及信息娛樂(lè )顯示屏尤為重要，在汽車(chē)的使用期限內，這些嵌入在汽車(chē)內部的設備將永遠不需要更換。而且，LED 要比其同類(lèi)設計小和薄幾個(gè)量級，所以 LCD 屏可以做得非常薄，因此所需的汽車(chē)內部空間非常小。此外，通過(guò)采用紅色、綠色和藍色 (RGB) LED 的配置，可以實(shí)現無(wú)限數的顏色。LED 還具有調光和接通/關(guān)斷能力，遠遠超過(guò)了人眼的分辨能力，有助于顯著(zhù)改善 LCD 顯示器的背光照明能力，同時(shí)還可以實(shí)現引人注目的對比度和高分辨率。

 　　汽車(chē)照明系統設計人員面對的最大挑戰之一是如何體現出最新一代 LED 的所有優(yōu)勢。由于 LED 通常需要一個(gè)準確而高效的 DC 電流源和一種調光方法，LED 驅動(dòng) IC 的設計必須在各種條件下滿(mǎn)足這些要求。電源解決方案必須是非常高效而功能堅固，而且還要非常緊湊和具成本效益。毋庸置疑，驅動(dòng) LED 要求最嚴格的應用將是汽車(chē)信息娛樂(lè )系統 TFT-LCD 背光照明應用，因為這些應用必須耐受汽車(chē)電氣環(huán)境的嚴酷性，必須對廣泛變化的環(huán)境照明條件進(jìn)行補償，也必須適合一個(gè)非?？臻g受限的占位面積，同時(shí)還要保持具有吸引力的成本結構。


圖 1  導航 LCD 顯示器

汽車(chē) LED 背光照明

 　　如小尺寸、極長(cháng)的壽命、低功耗和增強的調光能力等優(yōu)勢使 LED TFT-LCD 在今天的汽車(chē)背光照明中得到了廣泛采用。信息娛樂(lè )系統通常有一個(gè)安裝在儀表板中央的 LCD 屏，司機和乘客可以輕而易舉地查看他們的位置，進(jìn)行音頻調節，執行各種其他任務(wù)。此外，許多汽車(chē)的后部座椅上還有供乘客使用的 LCD 顯示器，可以播放電影、玩電視游戲，等等。一直以來(lái)，這些顯示器均采用 CCFL 背光源，不過(guò)它正在利用超薄陣列的白光 LED 取代這些比較大的燈泡，這提供了更精確和可調整的背光照明，以及輕松超越汽車(chē)年限的使用壽命。

 　　在這樣的環(huán)境下使用 LED 的好處有若干積極的含意。首先，LED 從來(lái)不需要更換，因為其固態(tài)壽命可達 100,000 小時(shí)以上 (11.5 服役年限)，這超過(guò)了車(chē)輛的使用期限。這將有助于汽車(chē)制造商永久性地將 LED 嵌入在“車(chē)艙內”的背光照明裝置當中，而無(wú)需留有用來(lái)更換的入口?？钍竭€可以根據 LED 照明系統做出改變，而無(wú)需 CCFL 燈泡那樣的深度或面積。通常，LED 在利用輸入電力提供光輸出方面也比熒光燈更加有效。這具有兩種積極的效果。第一，它從汽車(chē)總線(xiàn)消耗的電力更少，同樣重要的是，它還可以減少通過(guò)顯示器散失掉的熱量，不需要使用任何大型而昂貴的散熱器。

 　　LED 背光照明的另一個(gè)重要優(yōu)勢在于由高性能 LED 驅動(dòng)器 IC 提供的寬闊調光比能力。由于汽車(chē)內部受到變化非常廣泛的環(huán)境照明條件所影響，范圍遍及從陽(yáng)光直射到完全黑暗之間的各種變化，迫切需要 LED 背光照明系統具有很寬的調光比，一般需要高達 3000:1。利用合適的 LED 驅動(dòng)器 IC，比較容易實(shí)現這類(lèi)寬調光比，而采用 CCFL 背光源這是不可能實(shí)現的。圖 1 所示為典型基于 LCD 的信息娛樂(lè )屏幕。


圖 2  采用 LT3599 的效率達 90% 的 12W LED 背光照明電路

汽車(chē) LED 照明設計參數

 　　為了確保最佳性能和長(cháng)久的工作壽命，LED 需要有效的驅動(dòng)電路。這些驅動(dòng) IC 必須具備能在相當苛刻的汽車(chē)電源總線(xiàn)情況下工作的能力，還必須具有成本和空間效益。為了維持其長(cháng)久的工作壽命，絕對不能超過(guò) LED 的電流和溫度極限。

 　　汽車(chē)工業(yè)的主要挑戰之一是克服在汽車(chē)電源總線(xiàn)上苛刻的電氣環(huán)境。主要挑戰是瞬態(tài)條件，即所謂“負載突降”和“冷車(chē)發(fā)動(dòng)”。負載突降是電池電纜斷開(kāi)，同時(shí)發(fā)電機仍然對電池充電時(shí)的一種條件。當一條電池電纜松動(dòng)，汽車(chē)又處于工作狀態(tài)，或者當一條電池電纜斷開(kāi)而汽車(chē)正處于運行狀態(tài)時(shí)，就可能發(fā)生這種情況。當發(fā)電機試圖對一個(gè)缺席的電池進(jìn)行完全充電時(shí)，這種電池電纜的突然中斷可能產(chǎn)生高達 40V 的瞬態(tài)電壓尖峰。發(fā)電機上的瞬態(tài)電壓抑制器通常會(huì )將總線(xiàn)電壓箝制在大約 36V，并吸收大多數電流浪涌；不過(guò)，發(fā)電機下游的 DC/DC 轉換器受到的這種瞬態(tài)電壓尖峰可達 36V 至 40V。在這個(gè)瞬變過(guò)程期間，人們希望這些轉換器可以幸免于瞬態(tài)電壓尖峰，并可控制輸出電壓。有各種各樣可供選擇的保護電路，通常都是瞬態(tài)電壓抑制器，而這可在外部實(shí)現。不過(guò)，它們增加了成本、重量，同時(shí)也需要更大的空間。

 　　冷車(chē)發(fā)動(dòng)是一輛汽車(chē)的引擎在一段時(shí)間內處于冷態(tài)或冰點(diǎn)溫度時(shí)發(fā)生的一種條件。這時(shí)引擎潤滑油變得非常粘稠，需要起動(dòng)電機輸出更大的扭矩，進(jìn)而從電池汲取更多的電流。這種大電流負載可以將點(diǎn)火時(shí)的電池/主總線(xiàn)電壓拉低至 4.0V，在這之后它通常返回到 12V 標稱(chēng)值。

 　　不過(guò)，有一個(gè)新的解決方案可以應對這一困境，這就是凌力爾特的 LT3599。在這兩個(gè)條件的自始至終，它都具有幸免于瞬態(tài)電壓尖峰和調節固定輸出電壓的能力。其 3V 至 30V 的輸入電壓范圍以及 40V 的瞬態(tài)保護使之成為了汽車(chē)環(huán)境的理想選擇。即使是在 36V 瞬變期間發(fā)生 VIN 大于 VOUT 的情況，LT3599 也可以調節所需的輸出電壓。

 　　大多數 LCD 背光照明應用都需要 10W 和 15W 之間的 LED 功率，LT3599 是專(zhuān)為這種應用而設計的器件。它可以將汽車(chē)總線(xiàn)電壓 (標稱(chēng)值 12V) 提高到 44V，以驅動(dòng)多達四個(gè)并聯(lián)串，每串包含十個(gè) 100mA LED。圖 2 顯示了驅動(dòng)四個(gè)并聯(lián)串的 LT3599 電路原理圖，每串包括十個(gè) 80mA LED，總共為 12W。


溫度范圍內的電流匹配                                         效率與 LED 電流溫度的關(guān)系
圖 3  圖 2 中 LT3599 的 LED 電流匹配及效率

 　　LT3599 采用了一種自適應反饋環(huán)路設計，它可以將輸出電壓調節至略高于最高電壓的 LED 串。這將最大限度地減少鎮流電路損失的功耗，從而優(yōu)化效率。圖 3 顯示了 LT3599 可能實(shí)現高達 90% 的效率。非常重要的是，它無(wú)需使用任何散熱器，從而實(shí)現了非常緊湊的超薄占位面積。同樣重要的是，驅動(dòng) LED 陣列可以提供精確的電流匹配，以保證整個(gè)面板的背光照明亮度的一致性。在 -40℃ 至 125℃ 溫度范圍內，LT3599 可以保證實(shí)現低于 2% 的 LED 電流變化。

 　　LT3599 采用了一種固定頻率、恒流升壓型轉換器拓撲結構。其內部 44V、2A 開(kāi)關(guān)能夠推動(dòng)四串多達十個(gè)串聯(lián)的 100mA LED。其開(kāi)關(guān)頻率可以進(jìn)行設置，并可以在 200kHz 和 2.5MHz 之間同步，使之可以保持超出 AM 無(wú)線(xiàn)波段的開(kāi)關(guān)頻率，同時(shí)最大限度地減少外部元件的尺寸。該設計還有助于其運行一至四串 LED。如果使用較少的 LED 串，每串就能夠提供更多的 LED 電流。每串 LED 可以使用相同數目的 LED，或者可以使用有不同 LED 數目的 LED 串進(jìn)行不對稱(chēng)運行。

 　　LT3599 可以使用 True Color PWMTM 調光對 LED 進(jìn)行調光，或者通過(guò)控制引腳進(jìn)行模擬調光。True Color PWM 可提供高達 3000:1 的調光比，這經(jīng)常是汽車(chē)應用所要求的。通過(guò)在全電流條件下對 LED 進(jìn)行 的脈寬調制，LED 光不會(huì )出現任何顏色變化，頻率也非常高，這是人眼察覺(jué)不到的。模擬調光利用改變 CNTRL 引腳電壓水平來(lái)提供一個(gè)非常簡(jiǎn)單的方法，以實(shí)現高達 20:1 的調光比。這種調光方法將取決于 LCD 屏所承受環(huán)境光的變化。

 　　此外，LT3599 還集成了保護功能，其中包括開(kāi)路和短路保護和報警引腳。例如，如果一個(gè)或多個(gè) LED 串開(kāi)路，LT3599 將調節其余的 LED 串。如果所有串都開(kāi)路，它仍將調節輸出電壓，而在兩種情況下都將發(fā)信號至 OPENLED 引腳。同樣，如果一次短路發(fā)生在 VOUT  和任何 LED 引腳之間，LT3599 將立即關(guān)閉這個(gè)通道，并設置一個(gè) SHORTLED 標記。禁用該通道可以防止 LT3599 受到大功率散熱的影響，并保證穩定的工作。優(yōu)化可靠性的其他特點(diǎn)包括關(guān)斷狀態(tài)的輸出中斷、可編程欠壓鎖定和可編程 LED 溫度降額。LT3599 的高壓能力和高度集成為汽車(chē)背光應用提供了一種理想的 LED 驅動(dòng)器解決方案。

結論

 　　汽車(chē)中 LED 背光照明應用前所未有的普及速度為 LED 驅動(dòng)器 IC 開(kāi)創(chuàng )了許多特殊性能要求。這些 LED 驅動(dòng)器還必須提供恒流，以維持均勻的亮度，無(wú)論輸入電壓或 LED 正向電壓如何變化，都必須以高效率工作，提供寬調光比，同時(shí)具備提高系統可靠性的多種保護功能。這些應用也需要非常緊湊和高散熱效率的解決方案占位面積。凌力爾特利用像 LT3599 這樣的 LED 驅動(dòng)器 IC 滿(mǎn)足了這些設計要求。此外，凌力爾特還開(kāi)發(fā)出了一系列大電流 LED 驅動(dòng)器產(chǎn)品，旨在滿(mǎn)足從 LCD 背光照明到轉向信號，甚至前燈應用的汽車(chē)應用范圍。今天的汽車(chē)照明系統設計人員已經(jīng)具備了簡(jiǎn)潔而有效的 LED 驅動(dòng)器，以應對其最具挑戰性的 LED 照明設計。