引言

根據(jù) Strategies Unlimited 公司的數(shù)據(jù)（參見(jiàn)圖 1），到 2012 年,，高亮度 （HB） LED的市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將達(dá)到 120 億美元,，到 2015 年，該市場(chǎng)將增長(zhǎng)到 202 億美元,，年復(fù)合增長(zhǎng)率為 30.6%,。目前，用來(lái)給顯示器進(jìn)行背光照明的 LED 是這種前所未有的增長(zhǎng)的主要驅(qū)動(dòng)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(zhǎng)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(duì)比度,、畫(huà)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(yáng)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(lè)系統(tǒng),、計(jì)量表和種類繁多的儀表顯示器,。用 LED 對(duì)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(dòng)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(dòng)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(duì)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(chǎng)預(yù)測(cè)（Source： Strategies Unlimited）

怎樣才能支持汽車照明市場(chǎng)如此令人驚嘆的增長(zhǎng)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(lái)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(huì)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(jiàn)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(wàn)小時(shí)，相比之下,，LED 的壽命超過(guò) 10 萬(wàn)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(lè)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(jí),，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(guò)使用紅、綠和藍(lán)光 LED 配置,，可以提供無(wú)限多種顏色光,。LED 還能以比人眼可檢測(cè)到的速度快得多的速度調(diào)光以及接通 / 斷開(kāi)，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(duì)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(shì),。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(dòng)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(dòng) LED 而言,，要求最苛刻的應(yīng)用之一將會(huì)是汽車信息娛樂(lè)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(zhǎng),、功耗低和調(diào)光能力增強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)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(lè)系統(tǒng)開(kāi)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(duì)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(duì)儀表板的 LED 背光照明常常是與信息娛樂(lè)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(guò)用非常扁平的白光 LED 陣列替換相對(duì)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(guò)車輛或飛機(jī)壽命的工作壽命，這已經(jīng)變得越來(lái)越常見(jiàn)了,。



圖 2：LED 背光照明儀表板

在這類環(huán)境中采用 LED 有幾種積極的意義,。首先，LED 永遠(yuǎn)不需要更換,，因?yàn)樗鼈兊目煽繅勖^(guò) 10 萬(wàn)小時(shí)（11.5 年的使用年限）,，已經(jīng)超過(guò)了車輛壽命。這允許汽車制造商將 LED 永久性地嵌入到車內(nèi)背光照明系統(tǒng)中,，而不需要為更換留有余地,。因?yàn)?LED 照明系統(tǒng)不需要 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 從汽車總線泄漏較少的電功率,，而且同樣重要的是,，LED 減少了需要在顯示器中散發(fā)的熱量，從而無(wú)需笨重,、昂貴的散熱器,。

LED 背光照明的另一個(gè)重要好處是，高性能 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 提供的寬調(diào)光比能力,。由于汽車內(nèi)部經(jīng)受著范圍非常寬的環(huán)境照明條件變化,，包括從太陽(yáng)光直射到完全黑暗之間的每一種變化，而人眼對(duì)光輸出中的微小擾動(dòng)又非常敏感,，顯示屏需要相應(yīng)地調(diào)暗或調(diào)亮,，因此首要的是，LED 背光照明系統(tǒng)能提供從 1,，000:1 到高達(dá) 30,，000:1 的非常寬調(diào)光比。采用合適的 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC,，這類寬調(diào)光比相對(duì)容易實(shí)現(xiàn),，而用 CCFL 背光照明則是不可能的。圖 3 顯示了一個(gè) LED 背光照明儀表板和共享 LED 背光照明的信息娛樂(lè)系統(tǒng)顯示屏,。



圖 3：LED 背光照明儀表板和導(dǎo)航顯示器

汽車 LED 照明設(shè)計(jì)參數(shù)

為了確保最佳性能和長(zhǎng)工作壽命,，LED 需要有效的驅(qū)動(dòng)電路。這類驅(qū)動(dòng)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(zhǎng)工作壽命,，首要的是,，不要超過(guò) 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(dòng)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(kāi)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(guò)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(guò)增加了成本和重量，并占用空間,。

“冷車發(fā)動(dòng)”指的是,，當(dāng)汽車發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)油變得極度黏滯,，需要發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)器提供更大的扭矩,，這反過(guò)來(lái)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(duì)這些問(wèn)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,。

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(dòng) 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(dòng) 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(guò)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(dòng) 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)洹Ｔ撈骷捎脝蝹€(gè) 60V 外部 N 溝道 MOSFET,，能驅(qū)動(dòng) 8 串由多達(dá) 10 個(gè) 100mA 串聯(lián)連接 LED 組成的 LED 串,。其開(kāi)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(duì)稱地運(yùn)行。

LT3760 以高達(dá) 3,，000:1 的調(diào)光比和通過(guò)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(lái),，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(kāi)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(kāi)路,，那么 LT3760 就會(huì)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(kāi)路狀態(tài)，那么該器件仍會(huì)調(diào)節(jié)輸出電壓,，而且在兩種情況下,，都會(huì)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(kāi)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,，并確保可靠工作,。為了實(shí)現(xiàn)額外的 LED 保護(hù),，LT3760 的 CTRL 引腳允許通過(guò) 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(dòng),。

結(jié)論

對(duì)更高性能和經(jīng)濟(jì)實(shí)惠性永不滿足的需求驅(qū)動(dòng)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(dòng)器 IC 來(lái)滿足,。結(jié)果,，這些 LED 驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)器系列，以用面向顯示器應(yīng)用的 LT3760 等高亮度 LED 驅(qū)動(dòng)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(kāi)發(fā)出了一個(gè)完整、專門針對(duì)汽車應(yīng)用的大電流 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 系列,，涵蓋從 LCD 背光照明到轉(zhuǎn)向指示信號(hào)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(dòng)器，設(shè)計(jì)師們也將有滿足需求的 IC 解決方案,。