汽车显示器需要更明亮的背光照明
摘要：随着汽车工业和半导体工业的不断发展，人们对车内电子系统有了更高的要求。车内各种仪表、显示器的效果和品质越来越被人们所看重。高亮度LED因其良好的性能和发光效率，成为车内各种仪表、显示器背光照明的最佳选择。
关键词：汽车电子；显示器；背光照明；LED
引言
根据Strategies Unlimited公司的数据(参见图1)，到2012年，高亮度(HB)LED的市场规模预计将达到120亿美元、到2015年，该市场将增长到202亿美元，年复合增长率为30.6％。目前，用来给显示器进行背光照明的LED是这种前所未有的增长的主要驱动力。用LED对显示器进行背光照明带来了一些独特的LED驱动器IC设计挑战。因为要在多种环境照明条件下优化显示器的可读性，这要求LED能提供非常宽的调光比和非常高的转换效率，同时能承受汽车中相对苛刻的电环境及其它物理环境的严酷挑战。最后，这些解决方案必须提供非常扁平、紧凑的占板面积，同时提高性价比。
汽车照明系统设计师面临的最大挑战之一是：怎样优化最新一代LED的所有优势。因为LED一般需要准确和高效率的DC电流源及调光方法，所以LED驱动器IC必须设计为在多种条件下满足这些要求。电源解决方案在功能和可靠性方面必须是高效和坚实的，同时又非常紧凑和经济实惠。按理，就驱动LED而言，要求最苛刻的应用之一将会是汽车信息娱乐系统和仪表板TPT－LCD背光照明，因为它们处于严酷的汽车电环境中，必须补偿范围很宽的环境照明条件变化，而且必须能放入非常有限的空间中，在做到所有这一切的同时，还要保持富有吸引力的成本结构。
汽车LED背光照明
诸如尺寸小、功耗低、寿命极长和调光能力强等优势已经使得LED TFT－LCD背光照明在当今的汽车、卡车、火车、飞机和轮船中得到了广泛采用。
在这类环境中采用LED有几种积极的意义。首先，LED永远不需要更换，因为它们的可靠寿命超过10万小时(11.5年的使用年限)，已经超过了车辆寿命。这允许汽车制造商将LED永久性地嵌入到车内背光照明系统中，而不需要为更换留有余地。因为LED照明系统不需要冷阴极荧光灯(CCFL)灯那么大的深度或面积，所以款式也可以显著改变。另外，在从输入电功率提供光输出(以流明为单位)方面，LED一般比白炽灯的效率高。这有两种积极作用。首先，LED从汽车总线泄漏的电功率较少，而且同样重要的是，使用LED减少了显示器散发的热量，从而无需笨重、昂贵的散热器。
LED背光照明的另一个重要好处是，高性能LED驱动器IC能提供较宽的调光比。由于汽车内部经受着范围非常宽的环境照明条件变化，包括从太阳光直射到完全黑暗之间的每一种变化，而人眼对光输出中的微小扰动又非常敏感，显示屏需要相应地调暗或调亮，因此首要的是，LED背光照明系统能提供非常宽的、从1000：1到高达30000：1的调光比。采用合适的LED驱动器IC，相对容易实现这类宽调光比，而用CCFL背光照明则是不可能的。图3显示了一个LED背光照明仪表板和共享LED背光照明的信息娱乐系统显示屏。
汽车LED照明设计参数
为了确保最佳性能和长工作寿命，LED需要有效的驱动电路。这类驱动器IC必须能靠条件相当苛刻的汽车电源总线工作，而且经济实惠、空间利用效率高。为了保持长工作寿命，首要的是不超过LED的电流和温度限制。
汽车行业的主要挑战之一是克服汽车电源总线上严酷的电环境。这主要包含称为负载突降和冷车发动的瞬态情况。负载突降指的是，电池电缆断接，同时交流发电机仍然在给电池充电的情况。当电池电缆连接不牢固而汽车正在运行时。或当电池电缆断开而汽车正在行驶时，可能发生这种情况。电池电缆这种突然断接能产生高达40V的瞬态电压尖峰，因为交流发电机正在尝试给已经不存在的电池充电。交流发电机上的瞬态电压抑制器通常将总线电压钳位到大约36V，并吸收大部分电流浪涌：不过交流发电机下游的DC／DC转换器要承受这36v至40V的瞬态电压尖峰。这些转换器要求不被损坏，并在这种瞬态事件发生时调节输出电压。有各种不同的保护电路可供选择，通常是瞬态电压抑制器。瞬态电压抑制器可以在外部采用，不过增加了成本和重量，并占用空间。
“冷车发动”指的是，当汽车发动机承受寒冷或冰冻温度一段时间时发生的情况。发动机机油变得极度黏滞，需要发动机启动器提供更大的扭矩，这反过来又从电池吸取更大的电流。这种大电流负载在点火时可能将电池／主总线电压拉低至6V，之后负载通常返回标称的12V。
幸运的是，对这些问题已经有了解决方案，那就是凌力尔特公司的LT3760，该器件能在这两种情况时不被损坏，并调节一个固定输出电压。LT3760的6v至40V的输入电压范围使其非常适用于汽车环境。甚至当VlN大于Vout(这种情况可能在40V瞬态时发生)时，LT3760仍将调节所需的LED电流。
由于大多数汽车LCD背光照明应用都需要20W至35W的LED功率，所以LT3760设计为满足这些需求。该器件可以将汽车总线电压(6v至18v／标称12V)升高至44V，以驱动8个并联LED串(每串含有10个80mA的串联LED)。图4显示了LT3760驱动8个并联LED串的原理图，每串由10个80mA的LED组成，总功率为28W。
LT3760采用自适应反馈环路设计，该设计调节输出电压以使其略高~LED串的最高电压。这最大限度地减小了通过镇流电路损失的功率，并帮助优化了效率。图4中的电路提供高于90％的效率。这很重要、因为消除了任何散热需求，从而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，提供准确的电流匹配，以确保在整个仪表板上保持背光照明亮度一致。LT3760在－40℃至125℃的温度范围内保证LED电流变化不到±2％，而且正如在图5中能看到的那样，它的典型值较接近±0.5％。
LT3760采用固定频率、恒定电流升压型控制器拓扑。该器件采用单个60V外部N沟道MOSFET，能驱动8串由多达10个100mA LED串联成的LED串。其开关频率是可编程的，并可在100kHz至1MHz范围内同步，从而使其能提供最佳效率，同时最大限度地减小外部组件尺寸。其设计还使该器件能运行4串200mA的LED串或两串400mA的LED串。每个LED串能使用同样数量的LED，或能以每串不同数量的LED非对称地运行。
LT3760以高达3000：1的调光比和通过控制引脚的模拟调光(提供高达
25：1的调光比)提供直接PWM。在需要高达30000：1调光比的应用中，这两种调光功能可以结合起来，以达到所需调光比。似乎随着汽车显示器技术的完善，大多数制造商都更喜欢使用电流较大的LED(50mA至100mA)，以使显示器在明亮的环境照明条件下更可读，同时更喜欢使用更大的调光比，以补偿不断变化的环境照明条件。
此外，LT3760有集成的保护功能，包括开路和短路保护以及一个FAULT诊断引脚。例如，如果一个或多个LED串开路，那么LT3760就会调节其余的LED串，并将FAULT引脚设定为高。如果所有LED串都处于开路状态、那么该器件仍会调节输出电压，而且在两种情况下，都会将FAULT引脚设定为高。类似地，如果在Vout和任何LED引脚之间发生短路，那么LT3760就立即断开该通道，并继续调节其余通道。停用该通道可保护LT3760不受大功率热耗散的影响，并确保可靠工作。为了实现额外的LED保护，LT3760的CTRL引脚允许通过LED串的环境温度设定LED电流降额曲线。一个放置在靠近LED处的NTC电阻器随着温度升高降低CTRL引脚电压，从而降低了LED电流。其他优化可读性的特点包括停机肘输出断接、可编程欠压闭锁、微功率停机和内部软启动等。
结论
对更高性能和经济实惠性永不满足的需求驱动着LED背光照明应用在汽车显示器中的持续加速。这些需求必须由新的LED驱动器Ic来满足。结果，这些LED驱动器必须提供恒定电流，使得不管输入电压和LED正向电压如何变化都必须保持一致的亮度，高效率工作，提供非常宽的调光比，且必须有各种保护功能以提高系统可靠性。当然，这些LED驱动器电路还必须提供占板面积非常紧凑、扁平且热效率高的解决方案。幸运的是，凌力尔特公司在不断重新定义LED驱动器系列，通过用面向显示器应用的LT3760等高亮度LED驱动器Ic迎头克服这些苛刻的挑战。此外，凌力尔特公司已经开发出了一个完整的、专门针对汽车应用的大电流LED驱动器Ic系列，涵盖从LCD背光照明到转向指示信号灯以及先进的前向照明前灯等各种应用。随着汽车照明系统对更高性能LED驱动器的继续需要，设计师们也将给出满足需求的IC解决方案。