汽車信息娛樂用LCD-TFT 屏需要用于背光照明的可靠 LED 驅(qū)動(dòng)器

引言

 　　根據(jù)法國(guó) Yole Development 的預(yù)測(cè)，到 2012 年整個(gè) LED 市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到 103 億美元。高亮度和超高亮度 LED 總共將占這個(gè)總數(shù)當(dāng)中的大約 44.5 億美元；幾乎是 2007 年 7.83 億美元市場(chǎng)規(guī)模 (基于封裝的 LED 統(tǒng)計(jì)) 的 5.5 倍。這種令人吃驚的增長(zhǎng)的主要推動(dòng)力之一是現(xiàn)代汽車中普遍采用了 LED 照明。LED 應(yīng)用包括信息娛樂系統(tǒng)當(dāng)中的薄膜晶體管液晶顯示屏 (TFT-LCD) 背光照明，以及儀表板、車內(nèi)照明、剎車燈、日間行駛燈、轉(zhuǎn)向信號(hào)燈和最近出現(xiàn)的前燈。

 　　怎樣才能持續(xù)推動(dòng)汽車照明中這種令人矚目的增長(zhǎng)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 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(xù)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(duì)常見于 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(zhǎng)達(dá) 10000 小時(shí)，而 LED 的壽命可長(zhǎng)達(dá) 100000 小時(shí)以上。在大多數(shù)應(yīng)用中，使這些 LED 可以永久地嵌入在最終應(yīng)用當(dāng)中，而無需使用一種固定裝置。這對(duì)背光照明的汽車導(dǎo)航及信息娛樂顯示屏尤為重要，在汽車的使用期限內(nèi)，這些嵌入在汽車內(nèi)部的設(shè)備將永遠(yuǎn)不需要更換。而且，LED 要比其同類設(shè)計(jì)小和薄幾個(gè)量級(jí)，所以 LCD 屏可以做得非常薄，因此所需的汽車內(nèi)部空間非常小。此外，通過采用紅色、綠色和藍(lán)色 (RGB) LED 的配置，可以實(shí)現(xiàn)無限數(shù)的顏色。LED 還具有調(diào)光和接通/關(guān)斷能力，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了人眼的分辨能力，有助于顯著改善 LCD 顯示器的背光照明能力，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)引人注目的對(duì)比度和高分辨率。

 　　汽車照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面對(duì)的最大挑戰(zhàn)之一是如何體現(xiàn)出最新一代 LED 的所有優(yōu)勢(shì)。由于 LED 通常需要一個(gè)準(zhǔn)確而高效的 DC 電流源和一種調(diào)光方法，LED 驅(qū)動(dòng) IC 的設(shè)計(jì)必須在各種條件下滿足這些要求。電源解決方案必須是非常高效而功能堅(jiān)固，而且還要非常緊湊和具成本效益。毋庸置疑，驅(qū)動(dòng) LED 要求最嚴(yán)格的應(yīng)用將是汽車信息娛樂系統(tǒng) TFT-LCD 背光照明應(yīng)用，因?yàn)檫@些應(yīng)用必須耐受汽車電氣環(huán)境的嚴(yán)酷性，必須對(duì)廣泛變化的環(huán)境照明條件進(jìn)行補(bǔ)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(jié)構(gòu)。


圖 1  導(dǎo)航 LCD 顯示器

汽車 LED 背光照明

 　　如小尺寸、極長(zhǎng)的壽命、低功耗和增強(qiáng)的調(diào)光能力等優(yōu)勢(shì)使 LED TFT-LCD 在今天的汽車背光照明中得到了廣泛采用。信息娛樂系統(tǒng)通常有一個(gè)安裝在儀表板中央的 LCD 屏，司機(jī)和乘客可以輕而易舉地查看他們的位置，進(jìn)行音頻調(diào)節(jié)，執(zhí)行各種其他任務(wù)。此外，許多汽車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，這些顯示器均采用 CCFL 背光源，不過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(diào)整的背光照明，以及輕松超越汽車年限的使用壽命。

 　　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 從來不需要更換，因?yàn)槠涔虘B(tài)壽命可達(dá) 100,000 小時(shí)以上 (11.5 服役年限)，這超過了車輛的使用期限。這將有助于汽車制造商永久性地將 LED 嵌入在“車艙內(nèi)”的背光照明裝置當(dāng)中，而無需留有用來更換的入口?？钍竭€可以根據(jù) LED 照明系統(tǒng)做出改變，而無需 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，它從汽車總線消耗的電力更少，同樣重要的是，它還可以減少通過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(shì)在于由高性能 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 提供的寬闊調(diào)光比能力。由于汽車內(nèi)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(tǒng)具有很寬的調(diào)光比，一般需要高達(dá) 3000:1。利用合適的 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC，比較容易實(shí)現(xiàn)這類寬調(diào)光比，而采用 CCFL 背光源這是不可能實(shí)現(xiàn)的。圖 1 所示為典型基于 LCD 的信息娛樂屏幕。


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

汽車 LED 照明設(shè)計(jì)參數(shù)

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

 　　汽車工業(yè)的主要挑戰(zhàn)之一是克服在汽車電源總線上苛刻的電氣環(huán)境。主要挑戰(zhàn)是瞬態(tài)條件，即所謂“負(fù)載突降”和“冷車發(fā)動(dòng)”。負(fù)載突降是電池電纜斷開，同時(shí)發(fā)電機(jī)仍然對(duì)電池充電時(shí)的一種條件。當(dāng)一條電池電纜松動(dòng)，汽車又處于工作狀態(tài)，或者當(dāng)一條電池電纜斷開而汽車正處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，就可能發(fā)生這種情況。當(dāng)發(fā)電機(jī)試圖對(duì)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(dá) 40V 的瞬態(tài)電壓尖峰。發(fā)電機(jī)上的瞬態(tài)電壓抑制器通常會(huì)將總線電壓箝制在大約 36V，并吸收大多數(shù)電流浪涌；不過，發(fā)電機(jī)下游的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器受到的這種瞬態(tài)電壓尖峰可達(dá) 36V 至 40V。在這個(gè)瞬變過程期間，人們希望這些轉(zhuǎn)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(hù)電路，通常都是瞬態(tài)電壓抑制器，而這可在外部實(shí)現(xiàn)。不過，它們?cè)黾恿顺杀?、重量，同時(shí)也需要更大的空間。

 　　冷車發(fā)動(dòng)是一輛汽車的引擎在一段時(shí)間內(nèi)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(rùn)滑油變得非常粘稠，需要起動(dòng)電機(jī)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(fù)載可以將點(diǎn)火時(shí)的電池/主總線電壓拉低至 4.0V，在這之后它通常返回到 12V 標(biāo)稱值。

 　　不過，有一個(gè)新的解決方案可以應(yīng)對(duì)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(diào)節(jié)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(hù)使之成為了汽車環(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(diào)節(jié)所需的輸出電壓。

 　　大多數(shù) LCD 背光照明應(yīng)用都需要 10W 和 15W 之間的 LED 功率，LT3599 是專為這種應(yīng)用而設(shè)計(jì)的器件。它可以將汽車總線電壓 (標(biāo)稱值 12V) 提高到 44V，以驅(qū)動(dòng)多達(dá)四個(gè)并聯(lián)串，每串包含十個(gè) 100mA LED。圖 2 顯示了驅(qū)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(nèi)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(yīng)反饋環(huán)路設(shè)計(jì)，它可以將輸出電壓調(diào)節(jié)至略高于最高電壓的 LED 串。這將最大限度地減少鎮(zhèn)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(xiàn)高達(dá) 90% 的效率。非常重要的是，它無需使用任何散熱器，從而實(shí)現(xiàn)了非常緊湊的超薄占位面積。同樣重要的是，驅(qū)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(nèi)，LT3599 可以保證實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其內(nèi)部 44V、2A 開關(guān)能夠推動(dòng)四串多達(dá)十個(gè)串聯(lián)的 100mA LED。其開關(guān)頻率可以進(jìn)行設(shè)置，并可以在 200kHz 和 2.5MHz 之間同步，使之可以保持超出 AM 無線波段的開關(guān)頻率，同時(shí)最大限度地減少外部元件的尺寸。該設(shè)計(jì)還有助于其運(yùn)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(shù)目的 LED，或者可以使用有不同 LED 數(shù)目的 LED 串進(jìn)行不對(duì)稱運(yùn)行。

 　　LT3599 可以使用 True Color PWMTM 調(diào)光對(duì) LED 進(jìn)行調(diào)光，或者通過控制引腳進(jìn)行模擬調(diào)光。True Color PWM 可提供高達(dá) 3000:1 的調(diào)光比，這經(jīng)常是汽車應(yīng)用所要求的。通過在全電流條件下對(duì) LED 進(jìn)行 的脈寬調(diào)制，LED 光不會(huì)出現(xiàn)任何顏色變化，頻率也非常高，這是人眼察覺不到的。模擬調(diào)光利用改變 CNTRL 引腳電壓水平來提供一個(gè)非常簡(jiǎn)單的方法，以實(shí)現(xiàn)高達(dá) 20:1 的調(diào)光比。這種調(diào)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(hù)功能，其中包括開路和短路保護(hù)和報(bào)警引腳。例如，如果一個(gè)或多個(gè) LED 串開路，LT3599 將調(diào)節(jié)其余的 LED 串。如果所有串都開路，它仍將調(diào)節(jié)輸出電壓，而在兩種情況下都將發(fā)信號(hào)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(shè)置一個(gè) SHORTLED 標(biāo)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(wěn)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背光應(yīng)用提供了一種理想的 LED 驅(qū)動(dòng)器解決方案。

結(jié)論

 　　汽車中 LED 背光照明應(yīng)用前所未有的普及速度為 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 開創(chuàng)了許多特殊性能要求。這些 LED 驅(qū)動(dòng)器還必須提供恒流，以維持均勻的亮度，無論輸入電壓或 LED 正向電壓如何變化，都必須以高效率工作，提供寬調(diào)光比，同時(shí)具備提高系統(tǒng)可靠性的多種保護(hù)功能。這些應(yīng)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(qū)動(dòng)器 IC 滿足了這些設(shè)計(jì)要求。此外，凌力爾特還開發(fā)出了一系列大電流 LED 驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品，旨在滿足從 LCD 背光照明到轉(zhuǎn)向信號(hào)，甚至前燈應(yīng)用的汽車應(yīng)用范圍。今天的汽車照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員已經(jīng)具備了簡(jiǎn)潔而有效的 LED 驅(qū)動(dòng)器，以應(yīng)對(duì)其最具挑戰(zhàn)性的 LED 照明設(shè)計(jì)。