新型汽车显示屏背光源的LED驱动器解决方案

汽车液晶显示器 (LCD) 使用多串高亮度 LED 进行背光照明。多串 LED 驱动器是一种有效的电源解决方案，但它们的使用带来了一些与电磁干扰 (EMI)、可调光性、安全性、可靠性、效率和尺寸相关的设计挑战。

汽车中的环境光照条件从强烈的阳光到完全黑暗的情况不等，这意味着 LED 背光必须提供较宽的调光范围，以确保全天的眼睛舒适度，同时避免可见的亮度变化(闪烁)。汽车电子设备中的低 EMI 对避免干扰车辆中的多个射频接收器至关重要。LED 驱动器必须高效以产生最少的热量，防止显示器过热并提高整体系统的可靠性。随着每个显示器的尺寸和分辨率随着时间的推移而增加，所需的电子设备变得更加复杂，并且必须在重量和体积上都受到限制。

本文讨论了汽车背光源的性能要求以及设计它们时遇到的主要挑战。将推出克服这些障碍的 LED 驱动器解决方案。

图 1：汽车 LCD 显示屏。

汽车 LED 背光显示器

背光提供由 LCD 中的液晶调制的光源，用于图像显示。汽车中最大的显示器是仪表盘显示器和中央堆栈或中央信息显示器。它们的对角线尺寸可达 12 英寸，并且在每一代新一代汽车中的使用都在增长。它们的背光通常由四或六个交错的 LED 二极管串实现，每串有七到九个二极管，如图2 所示。如果一个 LED 出现故障，它将禁用整个字符串。使用交错的字符串，如果一个字符串出现，整个屏幕的整体亮度会均匀降低。

图 2：侧光式交错式 LED 背光。

LED 驱动器

多串 LED 驱动器(图 3)由一个开关稳压器和多个电流吸收器组成。为 LED 供电的开关稳压器必须满足特定要求。输出电压优化对于最小化功耗和将电路温度保持在可接受的水平至关重要。它必须在电池提供的整个电压范围内运行，并且能够承受“负载突降”电压瞬变。电流幅度必须非常准确，因为它控制着 LED 颜色。

图 3：升压 LED 背光。

理想情况下，LED 驱动器应具有支持多种配置以实现不同功能的灵活架构。图 3 显示了升压配置，但我们也应该考虑其他配置。如果串中的二极管数量较少，则可以使用单端初级电感转换器 (SEPIC) 拓扑。例如，针对电池电压的两个或三个 LED(7 V 或 10.5 V)可以从低于 6 V(冷启动)到 16 V 不等。支持不同架构的单个控制器具有明显的规模经济和易于重用的优势。

降低 EMI

扩频 (SS) 调制通常是满足 EMI 标准所必需的。图 4 (显示了没有 SS 的设备)和图 5 (显示了有 SS 的设备)说明了扩频的效果。在图 5中，SS 通过在更宽的频带上“扩展”噪声功率来降低谐波峰值能量。在本例中，开关频率为 400 kHz，低于 AM 频段，电磁 (EM) 噪声降低高于 10 dB。

图 4：没有扩频的设备。

图 5：扩频设备。

在选择稳压器的开关频率时，选择低于或高于 AM 频带的频率是有利的。这避免了开关频率的峰值落在允许的电磁辐射较低的 AM 波段。

相移

相移(图 6)是一种技术，通过该技术，电流吸收输出以交错的方式打开和关闭，从而减少从开关转换器汲取的峰值电流。使用相移可降低频率高于 1 MHz 的 EMI。在启用相移和六个灯串的情况下，LED 灯串可以打开/关闭并交错 60°。因此，输出电流 (I LED1-6 ) 边沿不重叠(恰好在 16.6667% 处除外)，导致每次转换期间释放的 EM 能量峰值较低。占空比 T ON /T = 16.6667 对应于 60° 的 T ON 。换句话说，如果 T ON的宽度 是 1/6 th 在周期 T 中，相移为 60°，最终得到对齐的边缘。

图 6：相移时序图。

图 7 显示了 80% 调光占空比和 200Hz 调光频率(5ms 周期)的相移效果。黑色曲线显示 8-dB 到 9-dB 的 EM 噪声通过相移降低。

图 7：相移 EM 光谱。

输出频率完全取决于(输入)DIM 频率，通常在 100 Hz 到 1,000 Hz 的范围内。

混合调光

背光调光是通过降低 LED 电流或使用脉冲宽度调制 (PWM) 斩断恒定 LED 电流来实现的。对 LED 电流进行时间分片会降低灯的亮度，而不会影响其颜色。PWM 调光频率必须高于 100 Hz 才能被人眼检测为闪烁。然而，由于频繁的大电流转换和开关损耗，在高亮度(大电流)下使用 PWM 调光会引入高 EM 噪声。另一方面，LED 非线性限制了低亮度下电流传输的准确性。

在混合调光模式下(图 8)，外部 LED 通过首先降低其电流幅度来调光。在交叉电平，调光转换为 PWM，LED 电流被斩波。这降低了仅电流变化的亮度范围内的 EMI。

图 8：混合调光。

LED 背光实现

例如，MAX20446 是一款带升压控制器的六通道背光驱动器，适用于汽车显示器。每个集成电流输出吸收高达 130-mA LED 电流。该器件接受 4.5V 至 36V 的宽输入电压范围，并可承受直接的汽车负载突降事件。

内部电流模式开关 DC/DC 控制器支持升压或 SEPIC 拓扑，并在 400kHz 至 2.2MHz 频率范围内工作。串的集成扩频和相移调光有助于降低 EMI。

自适应输出电压控制方案可最大限度地减少 LED 电流吸收路径中的功耗。图 9 显示了器件效率与竞争 IC 的对比。

图 9：效率优势。

该器件具有 I 2 C 控制的 PWM 调光和混合调光功能，可选择在 DIM 引脚提供外部 PWM 信号。在任何一种情况下，最小脉冲宽度都是 500 ns。因此，200 Hz 时的最大 PWM 调光比为 5 ms/500 ns = 10,000。电流降低调光有四个级别(50%、25%、12.5% 和 6.25%)。凭借 10,000 PWM 调光比和 6.25% (16x) 模拟，可获得的最大调光比达到惊人的 160,000:1。

小型 24 引脚 TQFN 封装有助于将 PCB 尺寸减小到 1,094 mm 2，比竞争解决方案提高 42%，这也降低了成本。

结论

LED 背光照明提出了与 EMI、可调光性、可靠性、效率和尺寸相关的若干设计挑战。MAX20446 六通道背光 LED 驱动器提供扩频和相移以实现低 EMI、AM 无线电频段以外的可选工作频率以及通过 I 2 C 接口实现前所未有的混合调光水平。高效率提高了系统可靠性，而小尺寸降低了 PCB 成本。

审核编辑：汤梓红