引言

根據(jù) Strategies Unlimited 公司的研究，2010 年，高亮度 led 的市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將達(dá)到 82 億美元，而且到 2015 年，預(yù)計(jì)將增長(zhǎng)到 202 億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率 （CAGR） 為 30.6%。目前用來(lái)給顯示屏進(jìn)行背光照明的 LED 是這種增長(zhǎng)的主要驅(qū)動(dòng)因素。應(yīng)用包括高清電視機(jī)、汽車顯示屏、大量手持式設(shè)備等。要保持這種嘆為觀止的增長(zhǎng)率，LED 不僅必須提供更高的可靠性、更低的功耗和更小/更平的外形尺寸，而且還必須明顯改進(jìn)對(duì)比度、畫質(zhì)清晰度和色彩準(zhǔn)確度。此外，汽車、航空電子和船舶顯示屏還必須在最大限度地改進(jìn)所有這些性能的同時(shí)，適合多種環(huán)境照明條件，如明亮的日光、昏暗的夜晚等環(huán)境。這些晶體管液晶顯示屏 （TFT-LCD） 的應(yīng)用非常廣泛，從信息娛樂系統(tǒng)、計(jì)量表到多種儀表都有。用 LED 對(duì)這些顯示屏進(jìn)行背光照明時(shí)，為了在種類如此繁多的環(huán)境照明條件下優(yōu)化顯示屏的易讀性，會(huì)引起一些獨(dú)特的 LED IC 驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。這要求 LED 驅(qū)動(dòng)器能夠提供非常寬的調(diào)光范圍和高效率，并承受相對(duì)苛刻和嚴(yán)酷的汽車電氣及物理環(huán)境的考驗(yàn)。最后，這些解決方案必須是非常扁平和占板面積緊湊，同時(shí)必須提高成本效益。

在汽車照明市場(chǎng)，靠什么支撐這么令人嘆為觀止的增長(zhǎng)潛力呢？首先，LED 的發(fā)光效率比白熾燈高 10 倍多，幾乎是熒光燈效率的兩倍，其中包括冷陰極熒光燈 （CCFL），因此減少了提供一定量光輸出 （以流明為單位） 所需的電功率以及所產(chǎn)生的熱量。隨著 LED 的進(jìn)一步開發(fā)，其用電功率產(chǎn)生流明的效率只會(huì)持續(xù)提高。其次， LED 照明不需要處理、接觸和清除 CCFL/熒光燈中常見的有毒水銀蒸氣，這在一個(gè)非常有環(huán)保意識(shí)的世界上是非常重要的。第三，大約每用 1，000 個(gè)小時(shí)，白熾燈就需要更換，熒光燈的持續(xù)使用時(shí)間達(dá)到 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 永久性地嵌入到最終應(yīng)用中，而無(wú)需附屬裝置。對(duì)于嵌入到汽車內(nèi)部的儀表/導(dǎo)航/信息娛樂系統(tǒng)顯示屏的背光照明而言，這尤其重要，因?yàn)樵谄嚨膲勖趦?nèi)，它們永遠(yuǎn)都不需要更換。此外，LED 比其它照明燈小和扁平數(shù)個(gè)量級(jí)，因此 LCD 顯示屏可以非常薄，因此在汽車內(nèi)部所需空間最小。此外，通過(guò)采用紅、綠和藍(lán)光 LED 配置，可以提供無(wú)限多種色彩。LED 還能夠以比人眼能檢測(cè)到的速度快得多的速度調(diào)光和接通/斷開，從而顯著改進(jìn)了 LCD 顯示屏的背光照明，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了極高的對(duì)比度和分辨率。

汽車照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)師面臨的最大挑戰(zhàn)之一是，如何優(yōu)化最新一代 LED 的所有優(yōu)勢(shì)。由于 LED 一般需要一個(gè)準(zhǔn)確和高效率的 DC 電流源和一種調(diào)光方法，因此 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 的設(shè)計(jì)必須在各種各樣的條件下滿足這些要求。電源解決方案必須是高效率、功能可靠、非常緊湊和經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的。可以說(shuō)，對(duì)于 LED 驅(qū)動(dòng)來(lái)說(shuō)，將會(huì)在航空電子、船舶和汽車信息娛樂系統(tǒng) TFT-LCD 背光照明應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)要求最苛刻的應(yīng)用，因?yàn)檫@些應(yīng)用必須面對(duì)嚴(yán)酷的汽車電氣環(huán)境，必須補(bǔ)償變化范圍很大的環(huán)境照明條件，必須放在非常受限的空間中，在必須做到所有這一切的同時(shí)，還要保持有吸引力的成本結(jié)構(gòu)。

汽車 LED 背光照明

諸如小尺寸、極長(zhǎng)的壽命、低功耗和增強(qiáng)的調(diào)光能力等優(yōu)勢(shì)已經(jīng)引發(fā)了 LED TFT-LCD 背光照明在今天的汽車、飛機(jī)和船舶中的廣泛普及和采用。信息娛樂系統(tǒng)通常有一個(gè)安裝在儀表板中央某處的 LCD 顯示屏，以便駕駛員和乘客都能非常容易地查看地點(diǎn)、進(jìn)行音頻調(diào)諧和完成其它各種任務(wù)。此外，很多汽車在后座上還有為乘客提供娛樂的 LCD 顯示屏，提供電影、視頻游戲等等。歷史上，這些顯示屏使用 CCFL 背光照明，但是用非常扁平的白光 LED 陣列取代這些相對(duì)較大的 CCFL 燈的做法正在變得越來(lái)越常見，白光 LED 提供更準(zhǔn)確和可調(diào)的背光照明，以及很容易超過(guò)汽車壽命的使用壽命。

在這種環(huán)境中使用 LED 的好處是，可以產(chǎn)生幾種正面影響。首先，它們永遠(yuǎn)不需要更換，因?yàn)樗鼈兊目煽繅勖L(zhǎng)達(dá) 10 萬(wàn)多小時(shí) （使用年限為 11.5 年），超過(guò)了汽車本身的壽命。這允許汽車制造商永久性地將它們嵌入到車內(nèi)的背光照明系統(tǒng)中，而無(wú)需考慮便于更換的問(wèn)題。款式可能也是一個(gè)顯著變化之處，因?yàn)?LED 照明系統(tǒng)不需要像 CCFL 燈那樣占用那么深的空間或那么大的面積。在從輸入電源提供光輸 （以流明為單位） 方面，LED 一般也比熒光燈的效率高。這有兩種積極的影響。第一，這對(duì)汽車總線提供的電功率消耗得較少，另外同樣重要的是，這減少了需要在顯示屏中消散的熱量，從而無(wú)需任何笨重和昂貴的散熱裝置。

LED 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)部的環(huán)境照明條件變化范圍很大，包括從直接日光照明到完全黑暗之間的每一種變化，因此 LED 背光照明系統(tǒng)必須能夠提供非常大的調(diào)光比，一般高達(dá) 30，000:1。采用合適的 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC，這種大的調(diào)光比相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，而用 CCFL 背光照明則不可能。圖 1 顯示了一個(gè)典型的基于 LCD 的模擬儀表板。

圖 1：模擬儀表板

汽車 LED 照明的設(shè)計(jì)參數(shù)

為了確保最佳性能和長(zhǎng)的工作壽命，LED 需要一個(gè)有效的驅(qū)動(dòng)電路。這些驅(qū)動(dòng)器 IC 必須靠條件相當(dāng)苛刻的汽車電源總線工作，而且必須經(jīng)濟(jì)實(shí)惠并節(jié)省空間。為了保持 LED 有長(zhǎng)的工作壽命，必須不超過(guò) LED 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要求非常苛刻的電氣環(huán)境。主要的挑戰(zhàn)是瞬態(tài)情況，如大家熟知的負(fù)載突降和冷車發(fā)動(dòng)。負(fù)載突降情況指的是，在交流發(fā)電機(jī)仍然在給電池充電時(shí)，電池電纜斷開。這可能在電池電纜松動(dòng)而汽車正在行駛時(shí)、或者在電池電纜斷裂而汽車正在行駛時(shí)發(fā)生。這種電池電纜的突然斷接可能產(chǎn)生高達(dá) 40V 的瞬態(tài)電壓尖峰，因?yàn)榻涣靼l(fā)電機(jī)試圖給一個(gè)已經(jīng)斷接的電池充滿電。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約 36V，并吸收大多數(shù)電流浪涌。不過(guò)，交流發(fā)電機(jī)下游的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器要承受這些 36V 至 40V 的瞬態(tài)電壓尖峰。要求這些轉(zhuǎn)換器在發(fā)生這種瞬態(tài)事件時(shí)不被損壞，而且使輸出電壓穩(wěn)定。有各種不同的可替換保護(hù)電路可在外部實(shí)現(xiàn)，通常是瞬態(tài)電壓抑制器。不過(guò)它們?cè)黾映杀竞椭亓坎⒄加每臻g。

“冷車發(fā)動(dòng)”指的是汽車引擎處于寒冷或冰凍溫度一段時(shí)間后發(fā)生的情況。引擎機(jī)油變得極黏稠，需要引擎啟動(dòng)器提供更大的扭轉(zhuǎn)力，這反過(guò)來(lái)又從電池吸取了更大的電流。這種大電流負(fù)載可能在點(diǎn)火時(shí)將電池/主總線電壓拉至低于 4.0V，之后一般返回到標(biāo)稱的 12V。

不過(guò)，有一種新的解決方案可以幫助擺脫這種困境。凌力爾特公司的 LT3599 能夠在出現(xiàn)這兩種情況時(shí)不被損壞，并調(diào)節(jié)一個(gè)固定的輸出電壓。該器件 3V 至 30V 的輸入電壓范圍和 40V 的瞬態(tài)保護(hù)使其非常適合汽車環(huán)境。甚至當(dāng) VIN 高于 VOUT 時(shí) （這種情況可以在 36V 瞬態(tài)時(shí)發(fā)生），LT3599 仍將調(diào)節(jié)所需的輸出電壓。

大多數(shù) LCD 背光照明應(yīng)用需要 10 至 15W 的 LED 功率，凌力爾特公司的 LT3599 已經(jīng)設(shè)計(jì)成為這種應(yīng)用服務(wù)。它能夠?qū)⑵嚳偩€電壓 （標(biāo)稱 12V） 提高至高達(dá) 44V，以驅(qū)動(dòng)多達(dá) 4 個(gè)并聯(lián)的 LED 串 （每串含有 10 個(gè)串聯(lián)的 100mA LED）。圖 2 顯示了 LT3599 驅(qū)動(dòng) 4 個(gè)并聯(lián) LED 串的原理圖，每串都由 10 個(gè) 80mA 的 LED 組成，總共提供 12W 功率。

圖 2：采用 LT3599 構(gòu)成的效率為 90% 的 12W LED 背光照明電路

LT3599 采用一種自適應(yīng)反饋環(huán)路設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)輸出電壓至略高于 LED 串的最高電壓。這最大限度地降低了鎮(zhèn)流電路中損失的功率，以優(yōu)化效率。圖 3 說(shuō)明了 LT3599 的效率，其效率可高達(dá) 90%。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)檫@樣就無(wú)需任何散熱措施了，從而實(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，以確保背光照明亮度在整個(gè)顯示屏上是一致的。LT3599 在 -40°C 至 125°C 的溫度范圍內(nèi)保證 LED 的電流變化低于 2%。

LT3599 電流匹配隨溫度的變化 LT3599 效率隨 LED 電流的變化

圖 3：圖 2 中 LT3599 的 LED 電流匹配和效率

LT3599 采用固定頻率、恒定電流升壓型轉(zhuǎn)換器拓?fù)洹Ｆ鋬?nèi)部的 44V、2A 開關(guān)能夠驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) LED 串 （每串由多達(dá) 10 個(gè) 100mA 的 LED 串聯(lián)組成）。其開關(guān)頻率在 200kHz 至 2.5MHz 范圍內(nèi)是可編程和可同步的，從而使其能夠保持開關(guān)頻率在 AM 收音機(jī)頻帶之外，同時(shí)最大限度地減小外部組件尺寸。如果所使用的 LED 串較少，那么其設(shè)計(jì)還使該器件能夠運(yùn)行 4 個(gè) LED 串之一，而且每串都能夠提供額外的 LED 電流。每個(gè) LED 串都能使用相同數(shù)量的 LED，或者可以每串用不同數(shù)量的 LED，以非對(duì)稱形式運(yùn)行。

LT3599 提供調(diào)光比高達(dá) 3，000:1 的直接 PWM 模式，以及可通過(guò)控制引腳實(shí)現(xiàn)調(diào)光比高達(dá) 20:1 的模擬調(diào)光。在需要調(diào)光比高達(dá) 30，000:1 的應(yīng)用中，這兩種調(diào)光功能可以結(jié)合起來(lái)，以達(dá)到所需的調(diào)光比。某些正在出現(xiàn)的汽車、船舶和航空電子應(yīng)用常常需要這種非常高的調(diào)光比，以補(bǔ)償 LCD 顯示屏所處變化范圍非常大的環(huán)境光線。

此外，LT3599 具有集成的保護(hù)功能，包括開路和短路保護(hù)以及報(bào)警引腳。例如，如果一個(gè)或多個(gè) LED 串開路，LT3599 就調(diào)節(jié)其余的 LED 串。如果所有 LED 串都開路，它仍然調(diào)節(jié)輸出電壓，而且在兩種情況下，都會(huì)向 OPENLED 引腳發(fā)出信號(hào)。類似地，如果 VOUT 和任何 LED 引腳之間發(fā)生短路，那么 LT3599 就立即斷開該通道，并設(shè)置一個(gè) SHORTLED 標(biāo)記。禁止該通道可保護(hù) LT3599 免受大功率熱量耗散的影響，并確保可靠工作。其它優(yōu)化可靠性的功能包括：停機(jī)時(shí)輸出斷接、可編程欠壓閉鎖和可編程 LED 溫度降額。LT3599 這種高壓能力和高集成度為汽車背光照明應(yīng)用提供了一種理想的 LED 驅(qū)動(dòng)器解決方案。

對(duì)更高性能和更高成本效益的持續(xù)需求驅(qū)動(dòng)了 LED 背光照明應(yīng)用在汽車顯示屏中前所未有地加速采用。這些新出現(xiàn)的性能要求必須由新的 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 實(shí)現(xiàn)。這些 LED 驅(qū)動(dòng)器必須提供恒定電流，以保持一致的亮度，而不管輸入電壓或 LED 正向電壓如何變化，必須以高效率工作，必須提供大的調(diào)光比，必須擁有各種保護(hù)功能，以提高系統(tǒng)可靠性。這些 LED 驅(qū)動(dòng)器電路還需要占板面積非常緊湊、扁平和熱效率高的解決方案。凌力爾特公司正在持續(xù)改進(jìn) LED 驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品系列，以期用 LT3599 這類面向顯示屏應(yīng)用的 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 迎頭戰(zhàn)勝這些挑戰(zhàn)。此外，針對(duì)從 LCD 背光照明、轉(zhuǎn)向信號(hào)指示燈到前燈應(yīng)用的大量汽車應(yīng)用，凌力爾特公司已經(jīng)開發(fā)了一個(gè)全面的大電流 LED 驅(qū)動(dòng)器系列。隨著汽車照明系統(tǒng)不斷需要更高性能的 LED 驅(qū)動(dòng)器，凌力爾特公司也將不斷戰(zhàn)勝這些挑戰(zhàn)。