- 高效LED背光照明在汽車顯示器設計中的應用
- 汽車 LED 照明設計參數
- 采用 LT3760、效率為 90% 的 28W LED 背光照明電路
引言
根據 Strategies Unlimited 公司的數據 （參見圖 1），到 2012 年，高亮度 （HB） LED 的市場規模預計將達到 120 億美元，到 2015 年，該市場將增長到 202 億美元，年復合增長率為 30.6%。目前，用來給顯示器進行背光照明的 LED 是這種前所未有的增長的主要驅動力。應用包括高清電視機（HDTV）、汽車顯示器和大量手持式設備。為了保持這種令人驚嘆的增長率，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，而且必須實現對比度、畫面清晰度和色彩準確的明顯改進。此外，汽車、航空電子設備和航海電子產品的顯示器必須最大限度地實現所有這些改進，同時能接受從明亮的太陽光到沒有月亮的夜晚等多種環境照明條件。這些由晶體管液晶顯示器（TFT-LCD） 實現的顯示應用包括信息娛樂系統、計量表和種類繁多的儀表顯示器。用 LED 對這些顯示器進行背光照明引起了一些獨特的 LED IC 驅動器設計挑戰，因為要在多種環境照明條件下優化顯示器的可讀性。這要求 LED 驅動器能提供非常寬的調光比和高效率轉換，同時能承受汽車中相對苛刻的電及物理環境的嚴酷性。最后，這些解決方案必須提供非常扁平、緊湊的占板面積，同時提高性價比。
圖1： 高亮度LED市場預測
怎樣才能支持汽車照明市場如此令人驚嘆的增長潛力？ 首先，在產生光方面，LED 的效率是白熾燈的 10 倍，同時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 （以流明為單位來衡量） 所需的電功率。隨著 LED 進一步發展，其有效性或從電功率產生光流明的能力只會繼續提高。其次，我們身處于一個關注環境的世界，采用 LED 照明時是不需要處理、接觸和清除 CCFL / 熒光燈中常見的有毒水銀蒸氣。最后，白熾燈大約每 1，000 小時就需要更換，而熒光燈可持續使用 1 萬小時，相比之下，LED 的壽命超過 10 萬小時。在大多數應用中，這允許 LED 永久嵌入到最終應用中。就汽車儀表 / 導航 / 信息娛樂系統控制板的背光照明而言，這一點尤其重要，這些控制板嵌入到汽車內部，因為在汽車壽命期內，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內部空間。還有，通過使用紅、綠和藍光 LED 配置，可以提供無限多種顏色光。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，從而實現了 LCD 顯示器背光照明的顯著改進，同時允許極高的對比度和高分辨率。
汽車照明系統設計師面臨的最大挑戰之一是，怎樣優化最新一代 LED 的所有優勢。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 驅動器 IC 必須設計為在多種條件下滿足這些要求。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，同時又非常緊湊和經濟實惠。按理，就驅動 LED 而言，要求最苛刻的應用之一將會是汽車信息娛樂系統和儀表板 TFT-LCD 背光照明應用，因為它們處于嚴酷的汽車電環境中，必須補償范圍很寬的環境照明條件變化，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，還要保持富有吸引力的成本結構。
汽車 LED 背光照明
諸如尺寸小、壽命極長、功耗低和調光能力增強等優勢已經導致 LED TFT-LCD 背光照明在今天的汽車、卡車、火車、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系統開始的，這類系統一般有一個 LCD 顯示屏，安裝在儀表板中央某個部位，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。很多新出現的汽車設計都利用單個儀表板，以對方便駕駛員實施控制的所有顯示儀表進行背光照明，如圖 2 所示。對儀表板的 LED 背光照明常常是與信息娛樂系統共用的，從而非常容易讀取控制板上的數字。類似地，包括轎車和火車在內的很多車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，這類顯示器一直使用 CCFL 背光照明，不過用非常扁平的白光 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車輛或飛機壽命的工作壽命，這已經變得越來越常見了。
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汽車 LED 照明設計參數
為了確保最佳性能和長工作壽命，LED 需要有效的驅動電路。這類驅動器 IC 必須能靠條件相當苛刻的汽車電源總線工作，而且經濟實惠、空間利用效率高。為了保持長工作壽命，首要的是，不要超過 LED 的電流和溫度限制。
汽車行業的主要挑戰之一是，克服汽車電源總線上嚴酷的電環境。這些主要挑戰是稱為負載突降和冷車發動的瞬態情況。負載突降指的是，電池電纜斷接同時交流發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正在運行時，或當電池電纜斷開而汽車正在行駛時，可能發生這種情況。電池電纜這種突然斷接能產生高達 40V 的瞬態電壓尖峰，因為交流發電機正在嘗試給已經不存在的電池充滿電。交流發電機上的瞬態電壓抑制器通常將總線電壓箝位到大約 36V，并吸收大部分電流浪涌；不過交流發電機下游的 DC/DC 轉換器要承受這 36V 至 40V 的瞬態電壓尖峰。這些轉換器要求不被損壞，并在這種瞬態事件發生時調節輸出電壓。有各種不同的保護電路可供選擇，通常是瞬態電壓抑制器，瞬態電壓抑制器可以在外部采用，不過增加了成本和重量，并占用空間。
“冷車發動”指的是，當汽車發動機承受寒冷或冰凍溫度一段時間時發生的情況。發動機油變得極度黏滯，需要發動機啟動器提供更大的扭矩，這反過來又從電池吸取更大的電流。這種大電流負載在點火時可能將電池 / 主總線電壓拉低至 6V，之后負載通常返回標稱的 12V。
幸運的是，對這些問題已經有了解決方案，那就是凌力爾特公司的 LT3760，該器件能在這兩種情況出現時不被損壞，并調節一個固定輸出電壓。LT3760 6V 至 40V 的輸入電壓范圍使其非常適用于汽車環境。甚至當 VIN 大于 VOUT （這種情況可能在 40V 瞬態時發生） 時，LT3760 仍將調節所需的 LED 電流。
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由于大多數汽車 LCD 背光照明應用都需要 20W 至 35W 的 LED 功率，所以 LT3760 設計為滿足這些需求。該器件可以將汽車總線電壓 （6V 至 18V / 標稱 12V） 升高至 44V，以驅動 8 個并聯 LED 串（每串含有 10 個 80mA 的串聯 LED）。圖 4 顯示了 LT3760 驅動 8 個并聯 LED 串的原理圖，每串由 10 個 80mA 的 LED 組成，總功率為 28W。
圖4： 采用 LT3760、效率為 90% 的 28W LED 背光照明電路
LT3760 采用自適應反饋環路設計，該設計調節輸出電壓以使其略高于 LED 串的最高電壓。這最大限度地減小了通過鎮流電路損失的功率，并幫助優化了效率。圖 2 中的電路提供高于 90% 的效率。這很重要，因為消除了任何散熱需求，從而實現了占板面積非常緊湊的扁平解決方案。就驅動 LED 陣列而言，同樣重要的是，提供準確的電流匹配，以確保在整個儀表板上保持背光照明亮度一致。LT3760 在 -40度 至 125度的溫度范圍內保證 LED 電流變化不到 ±2%，而且正如在圖 5 中能看到的那樣，它的典型值較接近 ±0.5%。
圖5： 圖 4 中的 LED 電流匹配
LT3760 采用固定頻率、恒定電流升壓型控制器拓撲。該器件采用單個 60V 外部 N 溝道 MOSFET，能驅動 8 串由多達 10 個 100mA 串聯連接 LED 組成的 LED 串。其開關頻率是可編程的，并可在 100kHz 至 1MHz 范圍內同步，從而使其能提供最佳效率，同時最大限度地減小外部組件尺寸。其設計還使該器件能運行 4 串 200mA 的 LED 串或甚至兩串 400mA 的 LED 串。每個 LED 串能使用同樣數量的 LED，或能以每串不同數量的 LED 非對稱地運行。
LT3760 以高達 3，000:1 的調光比和通過控制引腳的模擬調光 （提供高達 25:1 的調光比） 提供直接 PWM。在需要高達 30，000:1 調光比的應用中，這兩種調光功能可以結合起來，以達到所需調光比。似乎隨著汽車顯示器技術的完善，大多數制造商都更喜歡使用較高的 LED 電流 （50mA 至 100mA），以使顯示器在明亮的環境照明條件下更可讀，同時更喜歡使用較大的調光比，以補償不斷變化的環境照明條件。
此外，LT3760 有集成的保護功能，包括開路和短路保護以及一個 /FAULT 診斷引腳。例如，如果一個或多個 LED 串開路，那么 LT3760 就會調節其余的 LED 串，并將 /FAULT 引腳設定為高。如果所有 LED 串都處于開路狀態，那么該器件仍會調節輸出電壓，而且在兩種情況下，都會將 /FAULT 引腳設定為高。類似地，如果在 VOUT 和任何 LED 引腳之間發生短路，那么 LT3760 就立即斷開該通道，并繼續調節其余通道。停用該通道可保護 LT3760 不受大功率熱耗散的影響，并確保可靠工作。為了實現額外的 LED 保護，LT3760 的 CTRL 引腳允許通過 LED 串的環境溫度設定 LED 電流降額曲線。一個放置在靠近 LED 處的 NTC 電阻器隨著溫度升高降低 CTRL 引腳電壓，從而降低了 LED 電流。其他優化可讀性的特點包括停機時輸出斷接、可編程欠壓閉鎖、微功率停機和內部軟啟動。
結論
對更高性能和經濟實惠性永不滿足的需求驅動著 LED 背光照明應用在汽車顯示器中的持續加速。這些需求必須由新的 LED 驅動器 IC 來滿足。結果，這些 LED 驅動器必須提供恒定電流，以不管輸入電壓或 LED 正向電壓如何變化都保持一致的亮度，必須以高效率工作，必須提供非常寬的調光比，且必須有各種保護功能以提高系統可靠性。當然，這些 LED 驅動器電路還必須提供占板面積非常緊湊、扁平和熱效率高的解決方案。幸運的是，凌力爾特公司在不斷重新定義 LED 驅動器系列，以用面向顯示器應用的 LT3760 等高亮度 LED 驅動器 IC 迎頭客服這些苛刻的挑戰。此外，凌力爾特公司已經開發出了一個完整、專門針對汽車應用的大電流 LED 驅動器 IC 系列，涵蓋從 LCD 背光照明到轉向指示信號燈以及先進的前向照明前燈等各種應用。隨著汽車照明系統繼續需要更高性能的 LED 驅動器，設計師們也將有滿足需求的 IC 解決方案。
