汽车信息娱乐用LCD-TFT 屏需要用于背光照明的可靠 LED 驱动器

引言

 　　根据法国 Yole Development 的预测，到 2012 年整个 LED 市场规模将达到 103 亿美元。高亮度和超高亮度 LED 总共将占这个总数当中的大约 44.5 亿美元；几乎是 2007 年 7.83 亿美元市场规模 (基于封装的 LED 统计) 的 5.5 倍。这种令人吃惊的增长的主要推动力之一是现代汽车中普遍采用了 LED 照明。LED 应用包括信息娱乐系统当中的薄膜晶体管液晶显示屏 (TFT-LCD) 背光照明，以及仪表板、车内照明、刹车灯、日间行驶灯、转向信号灯和最近出现的前灯。

 　　怎样才能持续推动汽车照明中这种令人瞩目的增长潜力呢? 首先，LED 产生的光要比白炽灯泡的效率高出十倍，几乎是荧光灯光效的两倍，包括冷阴极荧光灯 (CCFL)。这将减少提供给定光输出 (单位流明) 量所需的电量以及热量。随着 LED 的进一步发展，其利用电能产生光通量的效率将会继续增加。其次，在一个非常重视环保的世界中，LED 照明不需要对常见于 CCFL 及荧光灯的有毒汞蒸汽进行处理、暴露和处置。第三，白炽灯泡大约每 1,000 小时就需要进行更换，荧光灯可以维持长达 10000 小时，而 LED 的寿命可长达 100000 小时以上。在大多数应用中，使这些 LED 可以永久地嵌入在最终应用当中，而无需使用一种固定装置。这对背光照明的汽车导航及信息娱乐显示屏尤为重要，在汽车的使用期限内，这些嵌入在汽车内部的设备将永远不需要更换。而且，LED 要比其同类设计小和薄几个量级，所以 LCD 屏可以做得非常薄，因此所需的汽车内部空间非常小。此外，通过采用红色、绿色和蓝色 (RGB) LED 的配置，可以实现无限数的颜色。LED 还具有调光和接通/关断能力，远远超过了人眼的分辨能力，有助于显著改善 LCD 显示器的背光照明能力，同时还可以实现引人注目的对比度和高分辨率。

 　　汽车照明系统设计人员面对的最大挑战之一是如何体现出最新一代 LED 的所有优势。由于 LED 通常需要一个准确而高效的 DC 电流源和一种调光方法，LED 驱动 IC 的设计必须在各种条件下满足这些要求。电源解决方案必须是非常高效而功能坚固，而且还要非常紧凑和具成本效益。毋庸置疑，驱动 LED 要求最严格的应用将是汽车信息娱乐系统 TFT-LCD 背光照明应用，因为这些应用必须耐受汽车电气环境的严酷性，必须对广泛变化的环境照明条件进行补偿，也必须适合一个非常空间受限的占位面积，同时还要保持具有吸引力的成本结构。


图 1  导航 LCD 显示器

汽车 LED 背光照明

 　　如小尺寸、极长的寿命、低功耗和增强的调光能力等优势使 LED TFT-LCD 在今天的汽车背光照明中得到了广泛采用。信息娱乐系统通常有一个安装在仪表板中央的 LCD 屏，司机和乘客可以轻而易举地查看他们的位置，进行音频调节，执行各种其他任务。此外，许多汽车的后部座椅上还有供乘客使用的 LCD 显示器，可以播放电影、玩电视游戏，等等。一直以来，这些显示器均采用 CCFL 背光源，不过它正在利用超薄阵列的白光 LED 取代这些比较大的灯泡，这提供了更精确和可调整的背光照明，以及轻松超越汽车年限的使用寿命。

 　　在这样的环境下使用 LED 的好处有若干积极的含意。首先，LED 从来不需要更换，因为其固态寿命可达 100,000 小时以上 (11.5 服役年限)，这超过了车辆的使用期限。这将有助于汽车制造商永久性地将 LED 嵌入在“车舱内”的背光照明装置当中，而无需留有用来更换的入口。款式还可以根据 LED 照明系统做出改变，而无需 CCFL 灯泡那样的深度或面积。通常，LED 在利用输入电力提供光输出方面也比荧光灯更加有效。这具有两种积极的效果。第一，它从汽车总线消耗的电力更少，同样重要的是，它还可以减少通过显示器散失掉的热量，不需要使用任何大型而昂贵的散热器。

 　　LED 背光照明的另一个重要优势在于由高性能 LED 驱动器 IC 提供的宽阔调光比能力。由于汽车内部受到变化非常广泛的环境照明条件所影响，范围遍及从阳光直射到完全黑暗之间的各种变化，迫切需要 LED 背光照明系统具有很宽的调光比，一般需要高达 3000:1。利用合适的 LED 驱动器 IC，比较容易实现这类宽调光比，而采用 CCFL 背光源这是不可能实现的。图 1 所示为典型基于 LCD 的信息娱乐屏幕。


图 2  采用 LT3599 的效率达 90% 的 12W LED 背光照明电路

汽车 LED 照明设计参数

 　　为了确保最佳性能和长久的工作寿命，LED 需要有效的驱动电路。这些驱动 IC 必须具备能在相当苛刻的汽车电源总线情况下工作的能力，还必须具有成本和空间效益。为了维持其长久的工作寿命，绝对不能超过 LED 的电流和温度极限。

 　　汽车工业的主要挑战之一是克服在汽车电源总线上苛刻的电气环境。主要挑战是瞬态条件，即所谓“负载突降”和“冷车发动”。负载突降是电池电缆断开，同时发电机仍然对电池充电时的一种条件。当一条电池电缆松动，汽车又处于工作状态，或者当一条电池电缆断开而汽车正处于运行状态时，就可能发生这种情况。当发电机试图对一个缺席的电池进行完全充电时，这种电池电缆的突然中断可能产生高达 40V 的瞬态电压尖峰。发电机上的瞬态电压抑制器通常会将总线电压箝制在大约 36V，并吸收大多数电流浪涌；不过，发电机下游的 DC/DC 转换器受到的这种瞬态电压尖峰可达 36V 至 40V。在这个瞬变过程期间，人们希望这些转换器可以幸免于瞬态电压尖峰，并可控制输出电压。有各种各样可供选择的保护电路，通常都是瞬态电压抑制器，而这可在外部实现。不过，它们增加了成本、重量，同时也需要更大的空间。

 　　冷车发动是一辆汽车的引擎在一段时间内处于冷态或冰点温度时发生的一种条件。这时引擎润滑油变得非常粘稠，需要起动电机输出更大的扭矩，进而从电池汲取更多的电流。这种大电流负载可以将点火时的电池/主总线电压拉低至 4.0V，在这之后它通常返回到 12V 标称值。

 　　不过，有一个新的解决方案可以应对这一困境，这就是凌力尔特的 LT3599。在这两个条件的自始至终，它都具有幸免于瞬态电压尖峰和调节固定输出电压的能力。其 3V 至 30V 的输入电压范围以及 40V 的瞬态保护使之成为了汽车环境的理想选择。即使是在 36V 瞬变期间发生 VIN 大于 VOUT 的情况，LT3599 也可以调节所需的输出电压。

 　　大多数 LCD 背光照明应用都需要 10W 和 15W 之间的 LED 功率，LT3599 是专为这种应用而设计的器件。它可以将汽车总线电压 (标称值 12V) 提高到 44V，以驱动多达四个并联串，每串包含十个 100mA LED。图 2 显示了驱动四个并联串的 LT3599 电路原理图，每串包括十个 80mA LED，总共为 12W。


温度范围内的电流匹配                                         效率与 LED 电流温度的关系
图 3  图 2 中 LT3599 的 LED 电流匹配及效率

 　　LT3599 采用了一种自适应反馈环路设计，它可以将输出电压调节至略高于最高电压的 LED 串。这将最大限度地减少镇流电路损失的功耗，从而优化效率。图 3 显示了 LT3599 可能实现高达 90% 的效率。非常重要的是，它无需使用任何散热器，从而实现了非常紧凑的超薄占位面积。同样重要的是，驱动 LED 阵列可以提供精确的电流匹配，以保证整个面板的背光照明亮度的一致性。在 -40℃ 至 125℃ 温度范围内，LT3599 可以保证实现低于 2% 的 LED 电流变化。

 　　LT3599 采用了一种固定频率、恒流升压型转换器拓扑结构。其内部 44V、2A 开关能够推动四串多达十个串联的 100mA LED。其开关频率可以进行设置，并可以在 200kHz 和 2.5MHz 之间同步，使之可以保持超出 AM 无线波段的开关频率，同时最大限度地减少外部元件的尺寸。该设计还有助于其运行一至四串 LED。如果使用较少的 LED 串，每串就能够提供更多的 LED 电流。每串 LED 可以使用相同数目的 LED，或者可以使用有不同 LED 数目的 LED 串进行不对称运行。

 　　LT3599 可以使用 True Color PWMTM 调光对 LED 进行调光，或者通过控制引脚进行模拟调光。True Color PWM 可提供高达 3000:1 的调光比，这经常是汽车应用所要求的。通过在全电流条件下对 LED 进行 的脉宽调制，LED 光不会出现任何颜色变化，频率也非常高，这是人眼察觉不到的。模拟调光利用改变 CNTRL 引脚电压水平来提供一个非常简单的方法，以实现高达 20:1 的调光比。这种调光方法将取决于 LCD 屏所承受环境光的变化。

 　　此外，LT3599 还集成了保护功能，其中包括开路和短路保护和报警引脚。例如，如果一个或多个 LED 串开路，LT3599 将调节其余的 LED 串。如果所有串都开路，它仍将调节输出电压，而在两种情况下都将发信号至 OPENLED 引脚。同样，如果一次短路发生在 VOUT  和任何 LED 引脚之间，LT3599 将立即关闭这个通道，并设置一个 SHORTLED 标记。禁用该通道可以防止 LT3599 受到大功率散热的影响，并保证稳定的工作。优化可靠性的其他特点包括关断状态的输出中断、可编程欠压锁定和可编程 LED 温度降额。LT3599 的高压能力和高度集成为汽车背光应用提供了一种理想的 LED 驱动器解决方案。

结论

 　　汽车中 LED 背光照明应用前所未有的普及速度为 LED 驱动器 IC 开创了许多特殊性能要求。这些 LED 驱动器还必须提供恒流，以维持均匀的亮度，无论输入电压或 LED 正向电压如何变化，都必须以高效率工作，提供宽调光比，同时具备提高系统可靠性的多种保护功能。这些应用也需要非常紧凑和高散热效率的解决方案占位面积。凌力尔特利用像 LT3599 这样的 LED 驱动器 IC 满足了这些设计要求。此外，凌力尔特还开发出了一系列大电流 LED 驱动器产品，旨在满足从 LCD 背光照明到转向信号，甚至前灯应用的汽车应用范围。今天的汽车照明系统设计人员已经具备了简洁而有效的 LED 驱动器，以应对其最具挑战性的 LED 照明设计。