高效LED背光照明：汽车显示器设计方案

　引言
   　　根据 Strategies Unlimited 公司的数据 （参见图 1），到 2012 年，高亮度 （HB） LED 的市场规模预计将达到 120 亿美元，到 2015 年，该市场将增长到 202 亿美元，年复合增长率为 30.6%。目前，用来给显示器进行背光照明的 LED 是这种前所未有的增长的主要驱动力。应用包括高清电视机 （HDTV）、汽车显示器和大量手持式设备。为了保持这种令人惊叹的增长率，LED 不仅必须提供增强的可靠性、更低的功耗和更小 / 更扁平的外形尺寸，而且必须实现对比度、画面清晰度和色彩准确的明显改进。此外，汽车、航空电子设备和航海电子产品的显示器必须最大限度地实现所有这些改进，同时能接受从明亮的太阳光到没有月亮的夜晚等多种环境照明条件。这些由晶体管液晶显示器 （TFT-LCD） 实现的显示应用包括信息娱乐系统、计量表和种类繁多的仪表显示器。用 LED 对这些显示器进行背光照明引起了一些独特的 LED IC 驱动器设计挑战，因为要在多种环境照明条件下优化显示器的可读性。这要求 LED 驱动器能提供非常宽的调光比和高效率转换，同时能承受汽车中相对苛刻的电及物理环境的严酷性。最后，这些解决方案必须提供非常扁平、紧凑的占板面积，同时提高性价比。
   　　
   　　图 1：高亮度LED市场预测 （Source： Strategies Unlimited）
   　　怎样才能支持汽车照明市场如此令人惊叹的增长潜力？ 首先，在产生光方面，LED 的效率是白炽灯的 10 倍，同时几乎是荧光灯的两倍，包括冷阴极荧光灯 （CCFL），因此降低了提供给定量光输出 （以流明为单位来衡量） 所需的电功率。随着 LED 进一步发展，其有效性或从电功率产生光流明的能力只会继续提高。其次，我们身处于一个关注环境的世界，采用 LED 照明时是不需要处理、接触和清除 CCFL / 荧光灯中常见的有毒水银蒸气。最后，白炽灯大约每 1，000 小时就需要更换，而荧光灯可持续使用 1 万小时，相比之下，LED 的寿命超过 10 万小时。在大多数应用中，这允许 LED 永久嵌入到最终应用中。就汽车仪表 / 导航 / 信息娱乐系统控制板的背光照明而言，这一点尤其重要，这些控制板嵌入到汽车内部，因为在汽车寿命期内，它们将永远不需要更换。此外，LED 比其他照明灯小和扁平几个位数级，因此 LCD 平板显示器可以非常薄，需要最低限度的汽车内部空间。还有，通过使用红、绿和蓝光 LED 配置，可以提供无限多种颜色光。LED 还能以比人眼可检测到的速度快得多的速度调光以及接通 / 断开，从而实现了 LCD 显示器背光照明的显着改进，同时允许极高的对比度和高分辨率。
   　　汽车照明系统设计师面临的最大挑战之一是，怎样优化最新一代 LED 的所有优势。因为 LED 一般需要准确和高效率的 DC 电流源及调光方法，所以 LED 驱动器 IC 必须设计为在多种条件下满足这些要求。电源解决方案在功能和可靠性方面必须是高效率和可信赖，同时又非常紧凑和经济实惠。按理，就驱动 LED 而言，要求最苛刻的应用之一将会是汽车信息娱乐系统和仪表板 TFT-LCD 背光照明应用，因为它们处于严酷的汽车电环境中，必须补偿范围很宽的环境照明条件变化，而且必须能放入非常受限的空间中，必须做到所有这一切的同时，还要保持富有吸引力的成本结构。
   　　汽车 LED 背光照明
   　　诸如尺寸小、寿命极长、功耗低和调光能力增强等优势已经导致 LED TFT-LCD 背光照明在今天的汽车、卡车、火车、飞机和轮船中得到了广泛采用。LED 背光照明主要是从信息娱乐系统开始的，这类系统一般有一个 LCD 显示屏，安装在仪表板中央某个部位，以便驾驶员和乘客都能非常容易地看到它们的位置、执行音频调谐和其他各种任务。很多新出现的汽车设计都利用单个仪表板，以对方便驾驶员实施控制的所有显示仪表进行背光照明，如图 2 所示。对仪表板的 LED 背光照明常常是与信息娱乐系统共用的，从而非常容易读取控制板上的数字。类似地，包括轿车和火车在内的很多车辆以及还有安装在飞机座椅背后的 LCD 显示器，可供乘客看电影、玩视频游戏等等。历史上，这类显示器一直使用 CCFL 背光照明，不过用非常扁平的白光 LED 阵列替换相对较大的 CCFL 灯，以提供更准确和可调节的背光照明以及能超过车辆或飞机寿命的工作寿命，这已经变得越来越常见了。
   
   　　
   　　图 2：LED 背光照明仪表板
   　　在这类环境中采用 LED 有几种积极的意义。首先，LED 永远不需要更换，因为它们的可靠寿命超过 10 万小时 （11.5 年的使用年限），已经超过了车辆寿命。这允许汽车制造商将 LED 永久性地嵌入到车内背光照明系统中，而不需要为更换留有余地。因为 LED 照明系统不需要 CCFL 灯那么大的深度或面积，所以款式也可以显着改变。另外，在从输入电功率提供光输出 （以流明为单位） 方面，LED 一般比白炽灯的效率高。这有两种积极作用。首先，LED 从汽车总线泄漏较少的电功率，而且同样重要的是，LED 减少了需要在显示器中散发的热量，从而无需笨重、昂贵的散热器。
   　　LED 背光照明的另一个重要好处是，高性能 LED 驱动器 IC 提供的宽调光比能力。由于汽车内部经受着范围非常宽的环境照明条件变化，包括从太阳光直射到完全黑暗之间的每一种变化，而人眼对光输出中的微小扰动又非常敏感，显示屏需要相应地调暗或调亮，因此首要的是，LED 背光照明系统能提供从 1，000:1 到高达 30，000:1 的非常宽调光比。采用合适的 LED 驱动器 IC，这类宽调光比相对容易实现，而用 CCFL 背光照明则是不可能的。图 3 显示了一个 LED 背光照明仪表板和共享 LED 背光照明的信息娱乐系统显示屏。
   　　
   　　图 3：LED 背光照明仪表板和导航显示器
   　　汽车 LED 照明设计参数
   　　为了确保最佳性能和长工作寿命，LED 需要有效的驱动电路。这类驱动器 IC 必须能靠条件相当苛刻的汽车电源总线工作，而且经济实惠、空间利用效率高。为了保持长工作寿命，首要的是，不要超过 LED 的电流和温度限制。
   　　汽车行业的主要挑战之一是，克服汽车电源总线上严酷的电环境。这些主要挑战是称为负载突降和冷车发动的瞬态情况。负载突降指的是，电池电缆断接同时交流发电机仍然在给电池充电的情况。当电池电缆连接不牢固而汽车正在运行时，或当电池电缆断开而汽车正在行驶时，可能发生这种情况。电池电缆这种突然断接能产生高达 40V 的瞬态电压尖峰，因为交流发电机正在尝试给已经不存在的电池充满电。交流发电机上的瞬态电压抑制器通常将总线电压箝位到大约 36V，并吸收大部分电流浪涌；不过交流发电机下游的 DC/DC 转换器要承受这 36V 至 40V 的瞬态电压尖峰。这些转换器要求不被损坏，并在这种瞬态事件发生时调节输出电压。有各种不同的保护电路可供选择，通常是瞬态电压抑制器，瞬态电压抑制器可以在外部采用，不过增加了成本和重量，并占用空间。
   　　“冷车发动”指的是，当汽车发动机承受寒冷或冰冻温度一段时间时发生的情况。发动机油变得极度黏滞，需要发动机启动器提供更大的扭矩，这反过来又从电池吸取更大的电流。这种大电流负载在点火时可能将电池 / 主总线电压拉低至 6V，之后负载通常返回标称的 12V。
   　　幸运的是，对这些问题已经有了解决方案，那就是凌力尔特公司的 LT3760，该器件能在这两种情况出现时不被损坏，并调节一个固定输出电压。LT3760 6V 至 40V 的输入电压范围使其非常适用于汽车环境。甚至当 VIN 大于 VOUT （这种情况可能在 40V 瞬态时发生） 时，LT3760 仍将调节所需的 LED 电流。
   　　由于大多数汽车 LCD 背光照明应用都需要 20W 至 35W 的 LED 功率，所以 LT3760 设计为满足这些需求。该器件可以将汽车总线电压 （6V 至 18V / 标称 12V） 升高至 44V，以驱动 8 个并联 LED 串 （每串含有 10 个 80mA 的串联 LED）。图 4 显示了 LT3760 驱动 8 个并联 LED 串的原理图，每串由 10 个 80mA 的 LED 组成，总功率为 28W。
   　　
   　　图 4：采用 LT3760、效率为 90% 的 28W LED 背光照明电路
   　　LT3760 采用自适应反馈环路设计，该设计调节输出电压以使其略高于 LED 串的最高电压。这最大限度地减小了通过镇流电路损失的功率，并帮助优化了效率。图 2 中的电路提供高于 90% 的效率。这很重要，因为消除了任何散热需求，从而实现了占板面积非常紧凑的扁平解决方案。就驱动 LED 阵列而言，同样重要的是，提供准确的电流匹配，以确保在整个仪表板上保持背光照明亮度一致。LT3760 在 -40度 至 125度 的温度范围内保证 LED 电流变化不到 ±2%，而且正如在图 5 中能看到的那样，它的典型值较接近 ±0.5%。
   　　
   　　图 5：图 4 中的 LED 电流匹配
   　　LT3760 采用固定频率、恒定电流升压型控制器拓扑。该器件采用单个 60V 外部 N 沟道 MOSFET，能驱动 8 串由多达 10 个 100mA 串联连接 LED 组成的 LED 串。其开关频率是可编程的，并可在 100kHz 至 1MHz 范围内同步，从而使其能提供最佳效率，同时最大限度地减小外部组件尺寸。其设计还使该器件能运行 4 串 200mA 的 LED 串或甚至两串 400mA 的 LED 串。每个 LED 串能使用同样数量的 LED，或能以每串不同数量的 LED 非对称地运行。
   　　LT3760 以高达 3，000:1 的调光比和通过控制引脚的模拟调光 （提供高达 25:1 的调光比） 提供直接 PWM。在需要高达 30，000:1 调光比的应用中，这两种调光功能可以结合起来，以达到所需调光比。似乎随着汽车显示器技术的完善，大多数制造商都更喜欢使用较高的 LED 电流 （50mA 至 100mA），以使显示器在明亮的环境照明条件下更可读，同时更喜欢使用较大的调光比，以补偿不断变化的环境照明条件。
   　　此外，LT3760 有集成的保护功能，包括开路和短路保护以及一个 /FAULT 诊断引脚。例如，如果一个或多个 LED 串开路，那么 LT3760 就会调节其余的 LED 串，并将 /FAULT 引脚设定为高。如果所有 LED 串都处于开路状态，那么该器件仍会调节输出电压，而且在两种情况下，都会将 /FAULT 引脚设定为高。类似地，如果在 VOUT 和任何 LED 引脚之间发生短路，那么 LT3760 就立即断开该通道，并继续调节其余通道。停用该通道可保护 LT3760 不受大功率热耗散的影响，并确保可靠工作。为了实现额外的 LED 保护，LT3760 的 CTRL 引脚允许通过 LED 串的环境温度设定 LED 电流降额曲线。一个放置在靠近 LED 处的 NTC 电阻器随着温度升高降低 CTRL 引脚电压，从而降低了 LED 电流。其他优化可读性的特点包括停机时输出断接、可编程欠压闭锁、微功率停机和内部软启动。
   　　结论
   　　对更高性能和经济实惠性永不满足的需求驱动着 LED 背光照明应用在汽车显示器中的持续加速。这些需求必须由新的 LED 驱动器 IC 来满足。结果，这些 LED 驱动器必须提供恒定电流，以不管输入电压或 LED 正向电压如何变化都保持一致的亮度，必须以高效率工作，必须提供非常宽的调光比，且必须有各种保护功能以提高系统可靠性。当然，这些 LED 驱动器电路还必须提供占板面积非常紧凑、扁平和热效率高的解决方案。幸运的是，凌力尔特公司在不断重新定义 LED 驱动器系列，以用面向显示器应用的 LT3760 等高亮度 LED 驱动器 IC 迎头客服这些苛刻的挑战。此外，凌力尔特公司已经开发出了一个完整、专门针对汽车应用的大电流 LED 驱动器 IC 系列，涵盖从 LCD 背光照明到转向指示信号灯以及先进的前向照明前灯等各种应用。随着汽车照明系统继续需要更高性能的 LED 驱动器，设计师们也将有满足需求的 IC 解决方案。