汽车应用的超薄LED背光照明模块介绍

LED 模块正成为固态照明行业的集成电路。 LED 模块化革命正以微控制器并入大量通用外设同样的方式演进，几乎所有应用中的 LED 都越来越多地以模块形式售出。 多种优势再次紧随 IC 市场步伐，具体包括更快、更容易的设计、更少元件和更小体积带来的更低总成本。 在照明应用中，出色的能效和流明性能也能以多种形式实现。

有趣的是，在固态照明市场，小型化并非总是主要优势，但在显示背光照明应用领域却一定是主要因素，而快速增长的汽车 LCD 领域则是特别苛刻的应用细分。 新型汽车中的屏幕数量在不断增加，应用包括 GPS、仪表板、信息组和后座椅娱乐。

图 1：车载驾驶员信息系统和 GPS 地图应用正不断增加 LED 背光 LCD。 照片：Magneti Marelli 电子系统。

众多制造商为满足如高亮度、色彩保真度等要求，而采用了各种超薄 LED 背光照明模块生产技术，本文将简要介绍这些技术。 设计时可选择白色或 RGB LED 模块、直接或间接背光照明方式，以及使用反射镜盒和光导管。 本文将以 OSRAM Opto Semiconductors 的 PowerTopLED 和 MultiLED LED 模块为例。

而且，尽管光源及其结构比较重要，但方案的总体尺寸和 能效更多得取决于所实现的驱动器电子器件和电源管理解决方案，对于调光功能来说，尤为如此。 目前有众多厂家供应适合背光应用的高集成 LED 驱动器。 这里要重点介绍两个专门为苛刻的汽车市场设计的器件：Allegro Microsystems 的 A8513 和 Linear Technology 的 LT3518。

耐应力模块

LED 模块构成各不相同，范围覆盖可随时焊接的单或双裸芯片封装，到安装在小型 PCB 或基底上封装好的 LED（如 COB 板载芯片 LED），再到加入二次光学器件和热管理功能的采用小外壳的复杂器件。 集成了驱动器电子元件的模块大部分被专门定义成光引擎。

随着 LED 能效的不断增加，更高流明输出和集成封装设计、液晶 LED 背光已成为标配。 这种技术曾经受限于相当小的显示屏上，现在可以应用到较大的显示面板，包括大幅面电视屏幕。 增加显示尺寸和信息密度需要更高的性能，特别是在色彩饱和度和颜色一致性方面——这正是 LED 胜过冷阴极灯管 （CCFL） 光源之处，传统上人们使用 CCFL 光源作为大屏幕显示的背光。

图 2：汽车后座娱乐系统是坚固的 LED 背光液晶屏的主要应用。 照片：Continental。

在汽车应用中，耐机械应力和振动非常重要。 再一次证明，LED 技术表现出色。 坚固性加上长使用寿命、工作在低压条件下更简单的控制电路和更短的切换时间，使得 LED 成为车载显示和信息娱乐系统的不二之选。 有关 LED 背光照明在汽车显示应用中的优势和要求可以在一篇较早的文章² 中找到。

在最近由 OSRAM Opto Semiconductor 发布的以下应用说明中，也可以找到液晶 LED 背光照明方面的一些有用指示：《LED——新型显示背光照明光源》和《 LED 显示背光照明——使用 6 引线 MultiLED 的监视器应用》¹

白就是亮

OSRAM 建议，对于有单色背光要求的显示器来说，无论是单色、多色还是白色 LED 都同等适用。 但是对于背光照明的多色显示器，设计人员应了解每一种类型的优缺点。 单色 LED 不太理想，因为需要更多空间进行有效的调色。 而在多色和白色 LED 模块中，调色发生在封装内，从而使设计更紧凑。

白色 LED 优势在于货源多，封装类型和功率级别选择范围广，且能够相对简单地采用低电压驱动。 白色器件，如 OSRAM 的 Power TopLED 系列就是基于传统的冷光转换方式。 蓝色二极管发出的光通过磷光体层转换成黄光。 产生白光的精确色温由蓝光与所产生的黄光的比率决定，其本身由磷光体层的厚度和成分决定。 OSRAM 推荐将其 Power TopLED 系列 LED 用于汽车应用，如仪表板显示屏、地图照明和后座椅娱乐显示屏。

但是对彩色显示屏背光来说，特别是需要大的色彩饱和度时，建议采用多色 LED。 把多个不同颜色的（普通 RGB）裸芯片合并到单一模块中，设计将更灵活，封装结构将更紧凑，从而满足严格的汽车市场要求（图 3）。 当所有三个芯片同时使用适当的 RGB 强度（典型比率为 30:60:10）驱动时，就可产生白光。

图 3：MultiLED 系列中的 OSRAM 6 引线 RGB LED 模块之一。

对于中型高亮度、空间受限型应用 （》500 cd/m²），首选方案是直接背光照明。 LED 在空间上布局成规则图案，采用反射镜盒结构，以在整个显示面板产生同质的流明。 反射镜盒的深度取决于 LED 的空间以及二极管的发射角。 直接背光照明可以针对各种显示屏尺寸和亮度级别按比例调节。

图 4：使用 RGB LED 模块的 LED 背光照明方案一角

对于没必要采用高亮度的大尺寸显示屏，直接背光照明结构就非常合适。 光线一般由光导管斜射或反射到面板背面。 光导管中内置的微透镜有助于光线均匀分布。 光导管和角度偏转面的配置可能有多种。 顶视和侧视 LED 可以同时使用，具体取决于设计。

图 5：显示 LED、反射镜和扩散器的直接背光照明方案原理结构

例如，17 寸液晶屏通常使用两列五十个 RGB LED 模块作为背光，这些模块安装在屏幕两侧，直接与光导管的上侧和下侧接触。 OSRAM 的 MultiLED 系列中的典型实例是 LTRBGFSF-ABCB，这是一个六引线的 RGB 矩形模块，具有 120° 视角和扩散棱镜。 其光学效率一般为 45 lm/W，单个毫坎德拉额定值为 700 mcd（红）、1350 mcd（绿）和 160 mcd（绿）。 随着 LED 变得越越亮，未来设计所需的器件将更少。

SRAM 的 MultiLED 设计和封装旨在用于汽车内饰应用，包括驾驶员仪表板显示屏。

集成驱动器

汽车显示屏背光照明应用需要高度集成的 LED 驱动器，特别是在较大屏幕 LCD 仪表组和驾驶员信息系统越来越普及时，尤为如此。 尽管驱动 LED 对背光照明来说是灵活的，但是，如果需要同时适应脉冲状态工作和 PWM 调光，并非所有驱动器都符合 AEC-Q100 资质并满足相应的汽车电压和温度额定值要求。 因此，也需要对驱动器进行甄选，以匹配 LED 数、每串模块数和 LED 电流。 LED 电流本身是随着所需配色和混色要求变化而变化的。

A8513 就是一个适合的候选 LED 驱动器，它来自Allegro Microsystems，专门针对汽车信息娱乐、仪表组、中控显示面板背光系统。 该器件设计成单输出白色 LED 驱动器形式，将电流模式升压转换器与内部电源开关和电流阱集成在一起。 它采用 4.5 至 40 V 的单电源工作，具有 2 MHz 的升压转换器开关频率。

重要的是，这些器件采用微小型 10 引脚 MSOP 或 16 引脚 TSSOP 封装。 两种封装均采用外露热焊盘，增强了散热效果。

安全特性（对于电压可能变化、产生瞬态电压可高达 40 V 的汽车应用来说属基本要求）包括防止输出短路和过压、二极管开路或短路、LED 引脚开路或短路、升压开关或电感器短路、ISET 电阻器短路和 IC 过热。 双级电流限制功能可实现软启动，并可保护内部电流开关免受高电流过载导致的损害。

另一个选择是来自 Linear Technology 的 LT3518，这也是一款高度集成的 16 引脚 TSSOP 或 16 引脚 QFN （4 x 4 mm） 封装器件。 该器件是一种带有内部 2.3 A、45 V 开关的电流模式 DC/DC 转换器，专用于驱动汽车和航空系统中显示背光应用的 LED。 它同时结合了传统的电压环路和独创的电流环路，可用作升压、降压和升降压模式 LED 驱动器。 这样，该器件就可以充当恒流或恒压源。

可编程开关频率允许对外部元件进行效率和元件尺寸优化。 开关频率可以同步到外部时钟信号，且 LED 电流可以使用 100 mV 感测电阻进行外部编程设定。 外部 PWM 输入提供 3000:1 的“真彩 PWM”LED 调光，这对于汽车显示器夜间运行来说是一个很有用的特性。 控制引脚进一步提供了 10:1 的调光比率。

总结

LED 对于显示背光照明应用来说带来的是生态（低功耗）和经济上的优势，同时提升了画质，色彩饱和度更高、色彩渲染更出色（特别是在调光时）、颜色更一致。 集成 LED 模块和紧凑的驱动器使得具有足够高亮度的超薄设计得以成真。 依靠坚固的封装和低压工作模式，大屏幕 LED 背光汽车驾驶员信息显示系统成为一个切实可行、极具吸引力的解决方案。