- 高效LED背光照明在汽車顯示器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
- 汽車 LED 照明設(shè)計(jì)參數(shù)
- 采用 LT3760、效率為 90% 的 28W LED 背光照明電路
引言
根據(jù) Strategies Unlimited 公司的數(shù)據(jù) （參見圖 1），到 2012 年，高亮度 （HB） LED 的市場規(guī)模預(yù)計(jì)將達(dá)到 120 億美元，到 2015 年，該市場將增長到 202 億美元，年復(fù)合增長率為 30.6%。目前，用來給顯示器進(jìn)行背光照明的 LED 是這種前所未有的增長的主要驅(qū)動力。應(yīng)用包括高清電視機(jī)（HDTV）、汽車顯示器和大量手持式設(shè)備。為了保持這種令人驚嘆的增長率，LED 不僅必須提供增強(qiáng)的可靠性、更低的功耗和更小 / 更扁平的外形尺寸，而且必須實(shí)現(xiàn)對比度、畫面清晰度和色彩準(zhǔn)確的明顯改進(jìn)。此外，汽車、航空電子設(shè)備和航海電子產(chǎn)品的顯示器必須最大限度地實(shí)現(xiàn)所有這些改進(jìn)，同時(shí)能接受從明亮的太陽光到?jīng)]有月亮的夜晚等多種環(huán)境照明條件。這些由晶體管液晶顯示器（TFT-LCD） 實(shí)現(xiàn)的顯示應(yīng)用包括信息娛樂系統(tǒng)、計(jì)量表和種類繁多的儀表顯示器。用 LED 對這些顯示器進(jìn)行背光照明引起了一些獨(dú)特的 LED IC 驅(qū)動器設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，因?yàn)橐诙喾N環(huán)境照明條件下優(yōu)化顯示器的可讀性。這要求 LED 驅(qū)動器能提供非常寬的調(diào)光比和高效率轉(zhuǎn)換，同時(shí)能承受汽車中相對苛刻的電及物理環(huán)境的嚴(yán)酷性。最后，這些解決方案必須提供非常扁平、緊湊的占板面積，同時(shí)提高性價(jià)比。
圖1： 高亮度LED市場預(yù)測
怎樣才能支持汽車照明市場如此令人驚嘆的增長潛力？ 首先，在產(chǎn)生光方面，LED 的效率是白熾燈的 10 倍，同時(shí)幾乎是熒光燈的兩倍，包括冷陰極熒光燈 （CCFL），因此降低了提供給定量光輸出 （以流明為單位來衡量） 所需的電功率。隨著 LED 進(jìn)一步發(fā)展，其有效性或從電功率產(chǎn)生光流明的能力只會繼續(xù)提高。其次，我們身處于一個(gè)關(guān)注環(huán)境的世界，采用 LED 照明時(shí)是不需要處理、接觸和清除 CCFL / 熒光燈中常見的有毒水銀蒸氣。最后，白熾燈大約每 1，000 小時(shí)就需要更換，而熒光燈可持續(xù)使用 1 萬小時(shí)，相比之下，LED 的壽命超過 10 萬小時(shí)。在大多數(shù)應(yīng)用中，這允許 LED 永久嵌入到最終應(yīng)用中。就汽車儀表 / 導(dǎo)航 / 信息娛樂系統(tǒng)控制板的背光照明而言，這一點(diǎn)尤其重要，這些控制板嵌入到汽車內(nèi)部，因?yàn)樵谄噳勖趦?nèi)，它們將永遠(yuǎn)不需要更換。此外，LED 比其他照明燈小和扁平幾個(gè)位數(shù)級，因此 LCD 平板顯示器可以非常薄，需要最低限度的汽車內(nèi)部空間。還有，通過使用紅、綠和藍(lán)光 LED 配置，可以提供無限多種顏色光。LED 還能以比人眼可檢測到的速度快得多的速度調(diào)光以及接通 / 斷開，從而實(shí)現(xiàn)了 LCD 顯示器背光照明的顯著改進(jìn)，同時(shí)允許極高的對比度和高分辨率。
汽車照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)師面臨的最大挑戰(zhàn)之一是，怎樣優(yōu)化最新一代 LED 的所有優(yōu)勢。因?yàn)?LED 一般需要準(zhǔn)確和高效率的 DC 電流源及調(diào)光方法，所以 LED 驅(qū)動器 IC 必須設(shè)計(jì)為在多種條件下滿足這些要求。電源解決方案在功能和可靠性方面必須是高效率和可信賴，同時(shí)又非常緊湊和經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。按理，就驅(qū)動 LED 而言，要求最苛刻的應(yīng)用之一將會是汽車信息娛樂系統(tǒng)和儀表板 TFT-LCD 背光照明應(yīng)用，因?yàn)樗鼈兲幱趪?yán)酷的汽車電環(huán)境中，必須補(bǔ)償范圍很寬的環(huán)境照明條件變化，而且必須能放入非常受限的空間中，必須做到所有這一切的同時(shí)，還要保持富有吸引力的成本結(jié)構(gòu)。
汽車 LED 背光照明
諸如尺寸小、壽命極長、功耗低和調(diào)光能力增強(qiáng)等優(yōu)勢已經(jīng)導(dǎo)致 LED TFT-LCD 背光照明在今天的汽車、卡車、火車、飛機(jī)和輪船中得到了廣泛采用。LED 背光照明主要是從信息娛樂系統(tǒng)開始的，這類系統(tǒng)一般有一個(gè) LCD 顯示屏，安裝在儀表板中央某個(gè)部位，以便駕駛員和乘客都能非常容易地看到它們的位置、執(zhí)行音頻調(diào)諧和其他各種任務(wù)。很多新出現(xiàn)的汽車設(shè)計(jì)都利用單個(gè)儀表板，以對方便駕駛員實(shí)施控制的所有顯示儀表進(jìn)行背光照明，如圖 2 所示。對儀表板的 LED 背光照明常常是與信息娛樂系統(tǒng)共用的，從而非常容易讀取控制板上的數(shù)字。類似地，包括轎車和火車在內(nèi)的很多車輛以及還有安裝在飛機(jī)座椅背后的 LCD 顯示器，可供乘客看電影、玩視頻游戲等等。歷史上，這類顯示器一直使用 CCFL 背光照明，不過用非常扁平的白光 LED 陣列替換相對較大的 CCFL 燈，以提供更準(zhǔn)確和可調(diào)節(jié)的背光照明以及能超過車輛或飛機(jī)壽命的工作壽命，這已經(jīng)變得越來越常見了。
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汽車 LED 照明設(shè)計(jì)參數(shù)
為了確保最佳性能和長工作壽命，LED 需要有效的驅(qū)動電路。這類驅(qū)動器 IC 必須能靠條件相當(dāng)苛刻的汽車電源總線工作，而且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、空間利用效率高。為了保持長工作壽命，首要的是，不要超過 LED 的電流和溫度限制。
汽車行業(yè)的主要挑戰(zhàn)之一是，克服汽車電源總線上嚴(yán)酷的電環(huán)境。這些主要挑戰(zhàn)是稱為負(fù)載突降和冷車發(fā)動的瞬態(tài)情況。負(fù)載突降指的是，電池電纜斷接同時(shí)交流發(fā)電機(jī)仍然在給電池充電的情況。當(dāng)電池電纜連接不牢固而汽車正在運(yùn)行時(shí)，或當(dāng)電池電纜斷開而汽車正在行駛時(shí)，可能發(fā)生這種情況。電池電纜這種突然斷接能產(chǎn)生高達(dá) 40V 的瞬態(tài)電壓尖峰，因?yàn)榻涣靼l(fā)電機(jī)正在嘗試給已經(jīng)不存在的電池充滿電。交流發(fā)電機(jī)上的瞬態(tài)電壓抑制器通常將總線電壓箝位到大約 36V，并吸收大部分電流浪涌；不過交流發(fā)電機(jī)下游的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器要承受這 36V 至 40V 的瞬態(tài)電壓尖峰。這些轉(zhuǎn)換器要求不被損壞，并在這種瞬態(tài)事件發(fā)生時(shí)調(diào)節(jié)輸出電壓。有各種不同的保護(hù)電路可供選擇，通常是瞬態(tài)電壓抑制器，瞬態(tài)電壓抑制器可以在外部采用，不過增加了成本和重量，并占用空間。
“冷車發(fā)動”指的是，當(dāng)汽車發(fā)動機(jī)承受寒冷或冰凍溫度一段時(shí)間時(shí)發(fā)生的情況。發(fā)動機(jī)油變得極度黏滯，需要發(fā)動機(jī)啟動器提供更大的扭矩，這反過來又從電池吸取更大的電流。這種大電流負(fù)載在點(diǎn)火時(shí)可能將電池 / 主總線電壓拉低至 6V，之后負(fù)載通常返回標(biāo)稱的 12V。
幸運(yùn)的是，對這些問題已經(jīng)有了解決方案，那就是凌力爾特公司的 LT3760，該器件能在這兩種情況出現(xiàn)時(shí)不被損壞，并調(diào)節(jié)一個(gè)固定輸出電壓。LT3760 6V 至 40V 的輸入電壓范圍使其非常適用于汽車環(huán)境。甚至當(dāng) VIN 大于 VOUT （這種情況可能在 40V 瞬態(tài)時(shí)發(fā)生） 時(shí)，LT3760 仍將調(diào)節(jié)所需的 LED 電流。
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由于大多數(shù)汽車 LCD 背光照明應(yīng)用都需要 20W 至 35W 的 LED 功率，所以 LT3760 設(shè)計(jì)為滿足這些需求。該器件可以將汽車總線電壓 （6V 至 18V / 標(biāo)稱 12V） 升高至 44V，以驅(qū)動 8 個(gè)并聯(lián) LED 串（每串含有 10 個(gè) 80mA 的串聯(lián) LED）。圖 4 顯示了 LT3760 驅(qū)動 8 個(gè)并聯(lián) LED 串的原理圖，每串由 10 個(gè) 80mA 的 LED 組成，總功率為 28W。
圖4： 采用 LT3760、效率為 90% 的 28W LED 背光照明電路
LT3760 采用自適應(yīng)反饋環(huán)路設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)輸出電壓以使其略高于 LED 串的最高電壓。這最大限度地減小了通過鎮(zhèn)流電路損失的功率，并幫助優(yōu)化了效率。圖 2 中的電路提供高于 90% 的效率。這很重要，因?yàn)橄巳魏紊嵝枨?，從而?shí)現(xiàn)了占板面積非常緊湊的扁平解決方案。就驅(qū)動 LED 陣列而言，同樣重要的是，提供準(zhǔn)確的電流匹配，以確保在整個(gè)儀表板上保持背光照明亮度一致。LT3760 在 -40度 至 125度的溫度范圍內(nèi)保證 LED 電流變化不到 ±2%，而且正如在圖 5 中能看到的那樣，它的典型值較接近 ±0.5%。
圖5： 圖 4 中的 LED 電流匹配
LT3760 采用固定頻率、恒定電流升壓型控制器拓?fù)?。該器件采用單個(gè) 60V 外部 N 溝道 MOSFET，能驅(qū)動 8 串由多達(dá) 10 個(gè) 100mA 串聯(lián)連接 LED 組成的 LED 串。其開關(guān)頻率是可編程的，并可在 100kHz 至 1MHz 范圍內(nèi)同步，從而使其能提供最佳效率，同時(shí)最大限度地減小外部組件尺寸。其設(shè)計(jì)還使該器件能運(yùn)行 4 串 200mA 的 LED 串或甚至兩串 400mA 的 LED 串。每個(gè) LED 串能使用同樣數(shù)量的 LED，或能以每串不同數(shù)量的 LED 非對稱地運(yùn)行。
LT3760 以高達(dá) 3，000:1 的調(diào)光比和通過控制引腳的模擬調(diào)光 （提供高達(dá) 25:1 的調(diào)光比） 提供直接 PWM。在需要高達(dá) 30，000:1 調(diào)光比的應(yīng)用中，這兩種調(diào)光功能可以結(jié)合起來，以達(dá)到所需調(diào)光比。似乎隨著汽車顯示器技術(shù)的完善，大多數(shù)制造商都更喜歡使用較高的 LED 電流 （50mA 至 100mA），以使顯示器在明亮的環(huán)境照明條件下更可讀，同時(shí)更喜歡使用較大的調(diào)光比，以補(bǔ)償不斷變化的環(huán)境照明條件。
此外，LT3760 有集成的保護(hù)功能，包括開路和短路保護(hù)以及一個(gè) /FAULT 診斷引腳。例如，如果一個(gè)或多個(gè) LED 串開路，那么 LT3760 就會調(diào)節(jié)其余的 LED 串，并將 /FAULT 引腳設(shè)定為高。如果所有 LED 串都處于開路狀態(tài)，那么該器件仍會調(diào)節(jié)輸出電壓，而且在兩種情況下，都會將 /FAULT 引腳設(shè)定為高。類似地，如果在 VOUT 和任何 LED 引腳之間發(fā)生短路，那么 LT3760 就立即斷開該通道，并繼續(xù)調(diào)節(jié)其余通道。停用該通道可保護(hù) LT3760 不受大功率熱耗散的影響，并確?？煽抗ぷ?。為了實(shí)現(xiàn)額外的 LED 保護(hù)，LT3760 的 CTRL 引腳允許通過 LED 串的環(huán)境溫度設(shè)定 LED 電流降額曲線。一個(gè)放置在靠近 LED 處的 NTC 電阻器隨著溫度升高降低 CTRL 引腳電壓，從而降低了 LED 電流。其他優(yōu)化可讀性的特點(diǎn)包括停機(jī)時(shí)輸出斷接、可編程欠壓閉鎖、微功率停機(jī)和內(nèi)部軟啟動。
結(jié)論
對更高性能和經(jīng)濟(jì)實(shí)惠性永不滿足的需求驅(qū)動著 LED 背光照明應(yīng)用在汽車顯示器中的持續(xù)加速。這些需求必須由新的 LED 驅(qū)動器 IC 來滿足。結(jié)果，這些 LED 驅(qū)動器必須提供恒定電流，以不管輸入電壓或 LED 正向電壓如何變化都保持一致的亮度，必須以高效率工作，必須提供非常寬的調(diào)光比，且必須有各種保護(hù)功能以提高系統(tǒng)可靠性。當(dāng)然，這些 LED 驅(qū)動器電路還必須提供占板面積非常緊湊、扁平和熱效率高的解決方案。幸運(yùn)的是，凌力爾特公司在不斷重新定義 LED 驅(qū)動器系列，以用面向顯示器應(yīng)用的 LT3760 等高亮度 LED 驅(qū)動器 IC 迎頭客服這些苛刻的挑戰(zhàn)。此外，凌力爾特公司已經(jīng)開發(fā)出了一個(gè)完整、專門針對汽車應(yīng)用的大電流 LED 驅(qū)動器 IC 系列，涵蓋從 LCD 背光照明到轉(zhuǎn)向指示信號燈以及先進(jìn)的前向照明前燈等各種應(yīng)用。隨著汽車照明系統(tǒng)繼續(xù)需要更高性能的 LED 驅(qū)動器，設(shè)計(jì)師們也將有滿足需求的 IC 解決方案。
