LED 背光照明在汽车显示器照明中占据主导地位

　　引言

　　有一些关键应用使得用作薄膜晶体管 （TFT） 液晶显示器 （LCD） 背光照明的 LED 出现了爆炸性增长，这类应用包括高清 （HD） 电视机、便携式平板电脑、汽车信息娱乐显示器和大量手持式通信设备。然而，为了保持这种惊人的增长率，LED 必须既提供更高的可靠性、更低的功耗和更紧凑的外形尺寸，又实现更高的对比度和色彩准确度。此外，在汽车、航空电子和航海显示器中，在必须改进所有这些参数的同时，LED 还要适应从日光到没有月亮的夜晚等多种环境光线条件。

　　这些 TFT-LCD 应用包括信息娱乐系统、计量表和多种仪表显示器。当然，用 LED 给这些显示器进行背光照明会造成一些独特的 LED 驱动器 IC 设计挑战，因为要在多种照明条件下优化显示器的可读性。LED 驱动器需要提供非常宽的调光范围和高效率转换，同时还需要适应严酷的汽车电气及物理环境。更不用说的是，这些解决方案的高度必须非常扁平，占板面积也非常紧凑，同时还要提高总体性价比。

　　促使 LED 在汽车显示器中增长的因素是什么？

　　为了支持在汽车照明应用中的惊人增长，LED 必须比白炽灯更有优势。LED 的优势包括：LED 的发光效率是白炽灯的 10 倍以及几乎是荧光灯的两倍，其中包括冷阴极荧光灯 （CCFL），因此降低了提供给定量的光输出 （单位：流明/瓦） 所需的电功率。随着 LED 的进一步发展，其效率或从电源产生光输出的能力只会继续提高。此外，我们现在非常关注环保，而 LED 照明不需要处理、接触和处置 CCFL 灯中常见的有毒水银蒸汽。最后，白炽灯通常经过大约 1，000 小时运行后就需要更换，而荧光灯则可以运行长达 1 万小时。不过，与 LED 照明提供的 10 万小时以上的寿命相比，这些数字就相形见绌了。

　　在大多数应用中，这种长运行寿命使 LED 能够永久性地嵌入到最终应用中。对于给汽车仪器仪表以及信息娱乐系统的显示器提供背光照明而言，这一点尤其重要，因为这些显示器常常嵌入到汽车仪表板中，而 LED 在汽车的工作寿命期内不需要更换。此外，LED 比其他类型的照明灯尺寸小且紧凑得多，因此 LCD 显示面板可以做得极薄，从而在汽车内部占用最小的空间。还有，通过采用红、绿和蓝光 LED 配置，可以提供无限多种色彩。不仅如此，LED 调光以及接通 / 断开的速度还能够远远快于人眼能够察觉到的速度，从而显著改进了 LCD 显示器的背光照明，同时使显示画面实现了极高的对比度和更高的分辨率。

　　汽车应用采用 LED 面临的障碍

　　然而，汽车照明系统设计师面临的最大障碍之一是，怎样优化最新一代 LED 提供的所有特点和优势。既然 LED 一般需要一个准确和高效率的电流源以及一种调光方法，那么 LED 驱动器 IC 就必须设计成在多种工作条件下满足这些需求。另外，电源解决方案必须效率非常高，必须非常坚固、可靠，同时还要非常紧凑且具备高性价比。可以说，就驱动 LED 而言，要求最苛刻的应用之一就是汽车信息娱乐和仪表 TFT-LCD 的背光照明，因为这种背光照明应用处于严酷的汽车电气环境中，还必须补偿多种环境照明条件的变化，而且必须适合可用空间非常受限制的情况。与此同时，这类应用必须具备富有吸引力的成本结构。

　　很多新出现的汽车设计都采用单个照明板给所有用于驾驶员控制的计量表显示器进行背光照明。用于仪表板的 LED 背光照明也常常用于信息娱乐系统，产生了一种易读的一体化控制面板。类似地，很多汽车、火车和飞机都提供 LCD 显示器，为乘客提供电影、视频游戏等娱乐活动。过去，这些显示器一直使用 CCFL 背光照明，不过现在越来越常见的是，用非常扁平的白光 LED 阵列取代这些使用相对较大照明灯的设计，以提供更加精确和可调的背光照明并延长使用寿命。

　　汽车 LED 照明设计要求

　　为了确保最佳性能和较长的工作寿命，LED 需要一个有效的驱动电路。这类驱动器 IC 必须能够靠条件相当苛刻的汽车电源总线运行，而且还必须具备很高的性价比和很高的空间利用效率。为了保持较长的工作寿命，还必须保证不超过 LED 的电流和温度限制。

　　汽车行业的主要挑战之一是，应对严酷的汽车电源总线电气环境。主要挑战是应对称为“抛载”和“冷车发动”的瞬态情况。抛载指的是，电池电缆断接而交流发电机仍然在给电池充电的情况。这种情况可能在电池电缆连接不牢固同时汽车正在运行时出现，或者在电池电缆断裂同时汽车正在运行时出现。这种电池电缆的突然断接可能产生高达 40V 的瞬态电压尖峰，因为交流发电机试图给并未连接电池满充电。交流发电机上的浪涌抑制器通常将总线电压箝位到约 36V，并吸收大部分电流浪涌，然而交流发电机下游的 DC/DC 转换器必须承受这些 36V 至 40V 的瞬态电压尖峰。人们期望发生这类瞬态事件时，这些转换器能够不被损坏并能够调节输出电压。现在有各种不同的保护电路，通常采用浪涌抑制器，因为浪涌抑制器可以在外部实现。不过，浪涌抑制器增大了成本、重量和占用的空间。

　　当汽车发动机处于很冷或冰冻温度中一段时间后，会发生冷车发动情况。这时发动机油变得极度粘稠，需要发动机启动器提供更大的扭矩，而这会从电池吸取更大的电流。这种大电流负载在点火瞬间可能将电池 / 主总线电压拉低至 4.0V，之后一般回复至标称的 12V。

　　解决这些困境的一种新的解决方案是凌力尔特公司的 LT3599，该器件能够承受这两种情况而不被损坏，而且能够提供一个稳定的固定输出电压。其输入电压范围为 3V 至 30V，瞬态保护至 40V，因此该器件非常适合汽车环境。甚至当 VIN 高于 VOUT 时 （这种情况可能在 36V 瞬态时发生），LT3599 仍会提供稳定的所需输出电压。

　　大多数 LCD 背光照明应用都需要 10W 至 15W LED 功率，LT3599 的设计满足这种应用需求。该器件可以将汽车总线电压 （标称 12V） 提高至 44V，以驱动多达 4 个并联的 LED 串 （每串包含 10 个 100mA 串联 LED）。图 2 显示了 LT3599 驱动 4 个并联 LED 串的原理图，每串由 10 个 80mA LED 组成，总共提供 12W 功率。

　　图 1：采用 LT3599、效率为 90% 的 12W LED 背光照明电路

　　LT3599 采用自适应反馈环路设计，该设计方案调节输出电压，使其略高于 LED 串的最高电压。这最大限度减小了镇流电路损失的功率以优化效率。图 3 说明了 LT3599 的效率，其效率可高达 90%。这很重要，因为这样就不需要任何散热器了，从而可实现占板面积非常紧凑的扁平解决方案。对于驱动 LED 阵列而言，同样重要的是提供准确的电流匹配，以确保整个显示面板上的背光照明亮度保持一致。LT3599 在 -40?C 至 125?C 温度范围内确保 LED 电流变化低于 2%。

　　电流匹配随温度的变化

　　效率随 LED 电流的变化

　　图 2：图 1 中 LT3599 的 LED 电流匹配和效率

　　LT3599 采用固定频率、恒定电流升压型转换器拓扑。其内部的 44V、2A 开关能够驱动 4 个 LED 串 （每串包括多达 10 个 100mA 串联 LED）。其开关频率在 200kHz 至 2.5MHz 范围内是可编程和可同步的，从而使该器件能够保持开关频率位于 AM 收音机频段以外，同时最大限度减小外部组件尺寸。该器件的设计还使其能够驱动 1 至 4 个 LED 串。如果使用较少的 LED 串，那么每串还能有更大的 LED 电流。每个 LED 串可以使用相同数量的 LED，也可以使用不同数量的 LED，以非对称形式运行。

　　LT3599 可用 True Color PWM™ 调光方法对 LED 调光，或通过控制引脚用模拟调光方法对 LED 调光。True Color PWM 提供高达 3，000:1 的调光比，汽车应用常常需要这么高的调光比。通过以满电流对 LED 进行 PWM 调光，可以消除 LED 光的任何颜色偏移，而且由于频率非常高，所以人眼察觉不到。模拟调光提供了一种非常简便的方法，通过改变 CNTRL 引脚电压的值，可实现高达 20:1 的调光比。这种调光方法的效果取决于 LCD 面板所处环境光线的变化。最后，LT3599 集成了保护功能，包括开路和短路保护以及报警引脚。

　　结论

　　高亮度 （HB） LED 用于汽车应用的增长潜力很大，可以毫无疑问地说，相对于今天的采用率而言，这会导致对 LED 本身以及驱动 LED 所需的驱动器 IC 的需求出现显著增长。凌力尔特已经开发出专门针对汽车应用的完整大电流 LED 驱动器产品系列，适用于从 LCD 背光照明、转向信号灯直至前灯的各种应用。汽车照明系统设计师现在有了简便、高效的 LED 驱动器来源，可以应对最具挑战性的 LED 照明设计了。