全新汽车显示屏所需的背光照明LED驱动器设计 - 全文

引言

　　根据Strategies Unlimited 公司的研究，2010年，高亮度LED的市场规模预计将达到82亿美元，而且到2015年，预计将增长到202亿美元，年复合增长率(CAGR)为 30.6%。目前用来给显示屏进行背光照明的LED是这种增长的主要驱动因素，其应用包括高清电视机、汽车显示屏、大量手持式设备等。要保持高增长率，LED 不仅需要提供更高的可靠性、更低的功耗和更小/更平的外形尺寸，而且还需改进对比度、画质清晰度和色彩准确度。此外，汽车、航空电子和船舶显示屏还要适合多种环境照明条件，如明亮的日光、昏暗的夜晚等。这些晶体管液晶显示屏 (TFT-LCD) 的应用非常广泛，从信息娱乐系统、计量表到多种仪表，用 LED 对这些显示屏进行背光照明时，为了在种类繁杂的环境照明条件下优化显示屏的易读性，会带来一些独特的 LED IC 驱动器设计挑战，这要求 LED 驱动器能够提供非常宽的调光范围和高效率，并承受相对苛刻和严酷的汽车电气及物理环境的考验。最后，这些解决方案必须是扁平的，且占板面积紧凑，以提高成本效益。

　　LED在汽车照明市场的快速增长源于如下几个因素：首先，LED 的发光效率比白炽灯高 10 倍多，几乎是荧光灯效率的两倍，其中包括冷阴极荧光灯 (CCFL），因此减少了提供一定量光输出 (以流明为单位) 所需的电功率以及其所产生的热量。随着 LED 的进一步开发，其用电功率产生流明的效率只会持续提高。其次，LED 照明不需要处理、接触和清除 CCFL/荧光灯中常见的有毒水银蒸气，这很好满足了绿色环保的要求。第三，大约每用 1000 个小时，白炽灯就需要更换，荧光灯的持续使用时间达到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 永久性地嵌入到最终应用中，而无需附属装置。对于嵌入到汽车内部的仪表/导航/信息娱乐系统显示屏的背光照明而言，这尤其重要，因为在汽车的寿命期内，它们永远都不需要更换。此外，LED 比其它照明灯小和扁平数个量级，因此 LCD 显示屏可以非常薄，因此在汽车内部所需空间最小。此外，通过采用红、绿和蓝光 LED 配置，可以提供无限多种色彩。LED 还能够以比人眼能检测到的速度快得多的速度调光和接通/断开，从而显著改进了 LCD 显示屏的背光照明，同时实现了极高的对比度和分辨率。

　　汽车照明系统设计师面临的最大挑战之一是，如何优化最新一代 LED 的所有优势。由于 LED 一般需要一个准确和高效率的 DC 电流源和一种调光方法，因此 LED 驱动器 IC 的设计必须在各种各样的条件下满足这些要求。电源解决方案必须是高效率、功能可靠、紧凑且经济实惠的。可以说，对于 LED 驱动来说，将会在航空电子、船舶和汽车信息娱乐系统 TFT-LCD 背光照明应用中发现要求最苛刻的应用，因为这些应用必须面对严酷的汽车电气环境，必须补偿变化范围很大的环境照明条件，必须放在非常受限的空间中，与此同时，要保持具有吸引力的成本结构。

汽车 LED 背光照明

　　诸如小尺寸、极长的寿命、低功耗和增强的调光能力等优势已经引发了 LED TFT-LCD 背光照明在今天的汽车、飞机和船舶中的广泛应用。信息娱乐系统通常有一个安装在仪表板中央某处的 LCD 显示屏，以便驾驶员和乘客都能非常容易地查看地点、进行音频调谐和完成其它各种任务。此外，很多汽车在后座上还有为乘客提供娱乐的 LCD 显示屏，提供电影、视频游戏等等。历史上，这些显示屏使用 CCFL 背光照明，但是用非常扁平的白光 LED 阵列取代这些相对较大的 CCFL 灯的做法正在变得越来越常见，白光 LED 提供更准确和可调的背光照明，以及很容易超过汽车寿命的使用寿命。

　　在这种环境中使用 LED 的好处是，可以产生几种正面影响。首先，它们永远不需要更换，因为它们的可靠寿命长达 10 万多小时 (使用年限为 11.5 年)，超过了汽车本身的寿命。这允许汽车制造商永久性地将它们嵌入到车内的背光照明系统中，而无需考虑便于更换的问题。款式可能也是一个显著变化之处，因为 LED 照明系统不需要像 CCFL 灯那样占用那么深的空间或那么大的面积。在从输入电源提供光输 (以流明为单位) 方面，LED 一般也比荧光灯的效率高。这有两种积极的影响。第一，这对汽车总线提供的电功率消耗得较少，另外同样重要的是，这减少了需要在显示屏中消散的热量，从而无需任何笨重和昂贵的散热装置。

　　LED 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。由于汽车内部的环境照明条件变化范围很大，包括从直接日光照明到完全黑暗之间的每一种变化，因此 LED 背光照明系统必须能够提供非常大的调光比，一般高达 30,000:1。采用合适的 LED 驱动器 IC，这种大的调光比相对容易实现，而用 CCFL 背光照明则不可能。图 1 示意了一个典型的基于 LCD 的模拟仪表板。

图1模拟仪表板

汽车 LED 照明的设计参数

　　为了确保最佳性能和长的工作寿命，LED 需要一个有效的驱动电路。这些驱动器 IC 必须依靠条件苛刻的汽车电源总线工作。而为了保持 LED 更长的工作寿命，设计时要求不能超过 LED 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要求苛刻的电气环境，其主要的挑战是瞬态情况，如大家熟知的负载突降和冷车发动。负载突降情况指的是，在交流发电机仍然在给电池充电时，电池电缆断开。这可能在电池电缆松动而汽车正在行驶时、或者在电池电缆断裂而汽车正在行驶时发生。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一个已经断接的电池充满电。交流发电机上的瞬态电压抑制器通常将总线电压箝位到约 36V，并吸收大多数电流浪涌。不过，交流发电机下游的 DC/DC 转换器要承受这些 36V 至 40V 的瞬态电压尖峰，要确保这些转换器在发生这种瞬态事件时不被损坏，而且输出电压稳定，可以在外部用不同的可替换保护电路实现，如常被选用的瞬态电压抑制器，但这些方面将增加成本和重量并占用空间。

　　“冷车发动”指的是汽车引擎处于寒冷或冰冻温度一段时间后发生的情况。引擎机油变得极黏稠，需要引擎启动器提供更大的扭转力，这反过来又从电池吸取了更大的电流。这种大电流负载可能在点火时将电池/主总线电压拉至低于 4.0V，之后一般返回到标称的 12V。

　　目前，有一种新的解决方案可以帮助摆脱这种困境,凌力尔特公司推出 LT3599 ，能够在出现这两种情况时不被损坏，并调节一个固定的输出电压。该器件 3V 至 30V 的输入电压范围和 40V 的瞬态保护使其适合于汽车环境。甚至当 VIN 高于 VOUT 时 (这种情况可以在 36V 瞬态时发生)，LT3599 仍将调节所需的输出电压。

　　大多数 LCD 背光照明应用需要 10 W 至 15W 的 LED 功率，LT3599 可满足该功率需求，且它能够将汽车总线电压 (标称 12V) 提高至44V，以驱动多达 4 个并联的 LED 串 (每串含有 10 个串联的 100mA LED)。图 2 显示了 LT3599 驱动 4 个并联 LED 串的原理图，每串都由 10 个 80mA 的 LED 组成，总共提供 12W 功率。

　　LT3599 采用一种自适应反馈环路设计，该设计调节输出电压至略高于 LED 串的最高电压，这最大限度地降低了镇流电路中损失的功率，从而优化了效率。图 3 说明了 LT3599 的效率，其效率可达 90%，从而无需任何散热措施，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，能提供准确的电流匹配，以确保背光照明亮度在整个显示屏上是一致的。LT3599 在 -40℃ 至 125℃ 的温度范围内保证 LED 的电流变化低于2%。

图 2 采用 LT3599 构成的效率为90%的12W LED背光照明电路

图 3 图2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 (每串由 10 个 100mA 的 LED 串联组成)。其开关频率在 200kHz 至 2.5MHz 范围内是可编程和可同步的，从而使其能够保持开关频率在 AM 收音机频带之外，同时最大限度地减小外部组件尺寸。如果所使用的 LED 串较少，那么其设计还使该器件能够运行 4 个 LED 串之一，而且每串都能够提供额外的 LED 电流。每个 LED 串都能使用相同数量的 LED，或者可以每串用不同数量的 LED，以非对称形式运行。

　　LT3599 提供调光比高达 3,000:1 的直接 PWM 模式，以及可通过控制引脚实现调光比高达 20:1 的模拟调光。在需要调光比达 30,000:1 的应用中，这两种调光功能可以结合起来，以达到所需的调光比。某些正在出现的汽车、船舶和航空电子应用常常需要这种非常高的调光比，以补偿 LCD 显示屏所处变化范围非常大的环境光线。

　　此外，LT3599 具有集成的保护功能，包括开路和短路保护以及报警引脚。例如，如果一个或多个 LED 串开路，LT3599 就调节其余的 LED 串。如果所有 LED 串都开路，它仍然调节输出电压，而且在两种情况下，都会向 OPENLED 引脚发出信号。类似地，如果 VOUT 和任何 LED 引脚之间发生短路，那么 LT3599 就立即断开该通道，并设置一个 SHORTLED 标记。禁止该通道可保护 LT3599 免受大功率热量耗散的影响，并确保可靠工作。其它优化可靠性的功能包括：停机时输出断接、可编程欠压闭锁和可编程 LED 温度降额。LT3599 这种高压能力和高集成度为汽车背光照明应用提供了一种理想的 LED 驱动器解决方案。