高效LED背光照明：汽车显示器设计方案

　　引言

　　根据StrategiesUnlimited公司的数据（参见图1），2012年，高亮度（HB）LED的市场规模达到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LEDIC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：StrategiesUnlimited）

　　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著改进，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LEDTFT-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，所以款式也可以显著改变。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。 LT37606V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28WLED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。