汽車顯示器需要更明亮的背光照明

摘要：隨著汽車工業和半導體工業的不斷發展，人們對車內電子系統有了更高的要求。車內各種儀表、顯示器的效果和品質越來越被人們所看重。高亮度LED因其良好的性能和發光效率，成為車內各種儀表、顯示器背光照明的最佳選擇。

關鍵詞：汽車電子；顯示器；背光照明；LED

引言

根據Strategies Unlimited公司的數據(參見圖1)，到2012年，高亮度(HB)LED的市場規模預計將達到120億美元、到2015年，該市場將增長到202億美元，年復合增長率為30.6％。目前，用來給顯示器進行背光照明的LED是這種前所未有的增長的主要驅動力。用LED對顯示器進行背光照明帶來了一些獨特的LED驅動器IC設計挑戰。因為要在多種環境照明條件下優化顯示器的可讀性，這要求LED能提供非常寬的調光比和非常高的轉換效率，同時能承受汽車中相對苛刻的電環境及其它物理環境的嚴酷挑戰。最后，這些解決方案必須提供非常扁平、緊湊的占板面積，同時提高性價比。

汽車照明系統設計師面臨的最大挑戰之一是：怎樣優化最新一代LED的所有優勢。因為LED一般需要準確和高效率的DC電流源及調光方法，所以LED驅動器IC必須設計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和堅實的，同時又非常緊湊和經濟實惠。按理，就驅動LED而言，要求最苛刻的應用之一將會是汽車信息娛樂系統和儀表板TPT－LCD背光照明，因為它們處于嚴酷的汽車電環境中，必須補償范圍很寬的環境照明條件變化，而且必須能放入非常有限的空間中，在做到所有這一切的同時，還要保持富有吸引力的成本結構。

汽車LED背光照明

諸如尺寸小、功耗低、壽命極長和調光能力強等優勢已經使得LED TFT－LCD背光照明在當今的汽車、卡車、火車、飛機和輪船中得到了廣泛采用。

在這類環境中采用LED有幾種積極的意義。首先，LED永遠不需要更換，因為它們的可靠壽命超過10萬小時(11.5年的使用年限)，已經超過了車輛壽命。這允許汽車制造商將LED永久性地嵌入到車內背光照明系統中，而不需要為更換留有余地。因為LED照明系統不需要冷陰極熒光燈(CCFL)燈那么大的深度或面積，所以款式也可以顯著改變。另外，在從輸入電功率提供光輸出(以流明為單位)方面，LED一般比白熾燈的效率高。這有兩種積極作用。首先，LED從汽車總線泄漏的電功率較少，而且同樣重要的是，使用LED減少了顯示器散發的熱量，從而無需笨重、昂貴的散熱器。

LED背光照明的另一個重要好處是，高性能LED驅動器IC能提供較寬的調光比。由于汽車內部經受著范圍非常寬的環境照明條件變化，包括從太陽光直射到完全黑暗之間的每一種變化，而人眼對光輸出中的微小擾動又非常敏感，顯示屏需要相應地調暗或調亮，因此首要的是，LED背光照明系統能提供非常寬的、從1000：1到高達30000：1的調光比。采用合適的LED驅動器IC，相對容易實現這類寬調光比，而用CCFL背光照明則是不可能的。圖3顯示了一個LED背光照明儀表板和共享LED背光照明的信息娛樂系統顯示屏。

汽車LED照明設計參數

為了確保最佳性能和長工作壽命，LED需要有效的驅動電路。這類驅動器IC必須能靠條件相當苛刻的汽車電源總線工作，而且經濟實惠、空間利用效率高。為了保持長工作壽命，首要的是不超過LED的電流和溫度限制。

汽車行業的主要挑戰之一是克服汽車電源總線上嚴酷的電環境。這主要包含稱為負載突降和冷車發動的瞬態情況。負載突降指的是，電池電纜斷接，同時交流發電機仍然在給電池充電的情況。當電池電纜連接不牢固而汽車正在運行時。或當電池電纜斷開而汽車正在行駛時，可能發生這種情況。電池電纜這種突然斷接能產生高達40V的瞬態電壓尖峰，因為交流發電機正在嘗試給已經不存在的電池充電。交流發電機上的瞬態電壓抑制器通常將總線電壓鉗位到大約36V，并吸收大部分電流浪涌：不過交流發電機下游的DC／DC轉換器要承受這36v至40V的瞬態電壓尖峰。這些轉換器要求不被損壞，并在這種瞬態事件發生時調節輸出電壓。有各種不同的保護電路可供選擇，通常是瞬態電壓抑制器。瞬態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。

“冷車發動”指的是，當汽車發動機承受寒冷或冰凍溫度一段時間時發生的情況。發動機機油變得極度黏滯，需要發動機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。這種大電流負載在點火時可能將電池／主總線電壓拉低至6V，之后負載通常返回標稱的12V。

幸運的是，對這些問題已經有了解決方案，那就是凌力爾特公司的LT3760，該器件能在這兩種情況時不被損壞，并調節一個固定輸出電壓。LT3760的6v至40V的輸入電壓范圍使其非常適用于汽車環境。甚至當VlN大于V_out(這種情況可能在40V瞬態時發生)時，LT3760仍將調節所需的LED電流。

由于大多數汽車LCD背光照明應用都需要20W至35W的LED功率，所以LT3760設計為滿足這些需求。該器件可以將汽車總線電壓(6v至18v／標稱12V)升高至44V，以驅動8個并聯LED串(每串含有10個80mA的串聯LED)。圖4顯示了LT3760驅動8個并聯LED串的原理圖，每串由10個80mA的LED組成，總功率為28W。

LT3760采用自適應反饋環路設計，該設計調節輸出電壓以使其略高~LED串的最高電壓。這最大限度地減小了通過鎮流電路損失的功率，并幫助優化了效率。圖4中的電路提供高于90％的效率。這很重要、因為消除了任何散熱需求，從而實現了占板面積非常緊湊的扁平解決方案。就驅動LED陣列而言，同樣重要的是，提供準確的電流匹配，以確保在整個儀表板上保持背光照明亮度一致。LT3760在－40℃至125℃的溫度范圍內保證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％。

LT3760采用固定頻率、恒定電流升壓型控制器拓撲。該器件采用單個60V外部N溝道MOSFET，能驅動8串由多達10個100mA LED串聯成的LED串。其開關頻率是可編程的，并可在100kHz至1MHz范圍內同步，從而使其能提供最佳效率，同時最大限度地減小外部組件尺寸。其設計還使該器件能運行4串200mA的LED串或兩串400mA的LED串。每個LED串能使用同樣數量的LED，或能以每串不同數量的LED非對稱地運行。

LT3760以高達3000：1的調光比和通過控制引腳的模擬調光(提供高達25：1的調光比)提供直接PWM。在需要高達30000：1調光比的應用中，這兩種調光功能可以結合起來，以達到所需調光比。似乎隨著汽車顯示器技術的完善，大多數制造商都更喜歡使用電流較大的LED(50mA至100mA)，以使顯示器在明亮的環境照明條件下更可讀，同時更喜歡使用更大的調光比，以補償不斷變化的環境照明條件。

此外，LT3760有集成的保護功能，包括開路和短路保護以及一個FAULT診斷引腳。例如，如果一個或多個LED串開路，那么LT3760就會調節其余的LED串，并將FAULT引腳設定為高。如果所有LED串都處于開路狀態、那么該器件仍會調節輸出電壓，而且在兩種情況下，都會將FAULT引腳設定為高。類似地，如果在V_out和任何LED引腳之間發生短路，那么LT3760就立即斷開該通道，并繼續調節其余通道。停用該通道可保護LT3760不受大功率熱耗散的影響，并確保可靠工作。為了實現額外的LED保護，LT3760的CTRL引腳允許通過LED串的環境溫度設定LED電流降額曲線。一個放置在靠近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。其他優化可讀性的特點包括停機肘輸出斷接、可編程欠壓閉鎖、微功率停機和內部軟啟動等。

結論

對更高性能和經濟實惠性永不滿足的需求驅動著LED背光照明應用在汽車顯示器中的持續加速。這些需求必須由新的LED驅動器Ic來滿足。結果，這些LED驅動器必須提供恒定電流，使得不管輸入電壓和LED正向電壓如何變化都必須保持一致的亮度，高效率工作，提供非常寬的調光比，且必須有各種保護功能以提高系統可靠性。當然，這些LED驅動器電路還必須提供占板面積非常緊湊、扁平且熱效率高的解決方案。幸運的是，凌力爾特公司在不斷重新定義LED驅動器系列，通過用面向顯示器應用的LT3760等高亮度LED驅動器Ic迎頭克服這些苛刻的挑戰。此外，凌力爾特公司已經開發出了一個完整的、專門針對汽車應用的大電流LED驅動器Ic系列，涵蓋從LCD背光照明到轉向指示信號燈以及先進的前向照明前燈等各種應用。隨著汽車照明系統對更高性能LED驅動器的繼續需要，設計師們也將給出滿足需求的IC解決方案。