汽車液晶顯示器 (LCD) 使用多串高亮度 LED 進行背光照明。多串 LED 驅動器是一種有效的電源解決方案，但它們的使用帶來了一些與電磁干擾 (EMI)、可調光性、安全性、可靠性、效率和尺寸相關的設計挑戰。

汽車中的環境光照條件從強烈的陽光到完全黑暗的情況不等，這意味著 LED 背光必須提供較寬的調光范圍，以確保全天的眼睛舒適度，同時避免可見的亮度變化(閃爍)。汽車電子設備中的低 EMI 對避免干擾車輛中的多個射頻接收器至關重要。LED 驅動器必須高效以產生最少的熱量，防止顯示器過熱并提高整體系統的可靠性。隨著每個顯示器的尺寸和分辨率隨著時間的推移而增加，所需的電子設備變得更加復雜，并且必須在重量和體積上都受到限制。

本文討論了汽車背光源的性能要求以及設計它們時遇到的主要挑戰。將推出克服這些障礙的 LED 驅動器解決方案。

圖 1：汽車 LCD 顯示屏。

汽車 LED 背光顯示器

背光提供由 LCD 中的液晶調制的光源，用于圖像顯示。汽車中最大的顯示器是儀表盤顯示器和中央堆棧或中央信息顯示器。它們的對角線尺寸可達 12 英寸，并且在每一代新一代汽車中的使用都在增長。它們的背光通常由四或六個交錯的 LED 二極管串實現，每串有七到九個二極管，如圖2 所示。如果一個 LED 出現故障，它將禁用整個字符串。使用交錯的字符串，如果一個字符串出現，整個屏幕的整體亮度會均勻降低。

圖 2：側光式交錯式 LED 背光。

LED 驅動器

多串 LED 驅動器(圖 3)由一個開關穩壓器和多個電流吸收器組成。為 LED 供電的開關穩壓器必須滿足特定要求。輸出電壓優化對于最小化功耗和將電路溫度保持在可接受的水平至關重要。它必須在電池提供的整個電壓范圍內運行，并且能夠承受“負載突降”電壓瞬變。電流幅度必須非常準確，因為它控制著 LED 顏色。

圖 3：升壓 LED 背光。

理想情況下，LED 驅動器應具有支持多種配置以實現不同功能的靈活架構。圖 3 顯示了升壓配置，但我們也應該考慮其他配置。如果串中的二極管數量較少，則可以使用單端初級電感轉換器 (SEPIC) 拓撲。例如，針對電池電壓的兩個或三個 LED(7 V 或 10.5 V)可以從低于 6 V(冷啟動)到 16 V 不等。支持不同架構的單個控制器具有明顯的規模經濟和易于重用的優勢。

降低 EMI

擴頻 (SS) 調制通常是滿足 EMI 標準所必需的。圖 4 (顯示了沒有 SS 的設備)和圖 5 (顯示了有 SS 的設備)說明了擴頻的效果。在圖 5中，SS 通過在更寬的頻帶上“擴展”噪聲功率來降低諧波峰值能量。在本例中，開關頻率為 400 kHz，低于 AM 頻段，電磁 (EM) 噪聲降低高于 10 dB。

圖 4：沒有擴頻的設備。

圖 5：擴頻設備。

在選擇穩壓器的開關頻率時，選擇低于或高于 AM 頻帶的頻率是有利的。這避免了開關頻率的峰值落在允許的電磁輻射較低的 AM 波段。

相移

相移(圖 6)是一種技術，通過該技術，電流吸收輸出以交錯的方式打開和關閉，從而減少從開關轉換器汲取的峰值電流。使用相移可降低頻率高于 1 MHz 的 EMI。在啟用相移和六個燈串的情況下，LED 燈串可以打開/關閉并交錯 60°。因此，輸出電流 (I LED1-6 ) 邊沿不重疊(恰好在 16.6667% 處除外)，導致每次轉換期間釋放的 EM 能量峰值較低。占空比 T ON /T = 16.6667 對應于 60° 的 T ON 。換句話說，如果 T ON的寬度 是 1/6 th 在周期 T 中，相移為 60°，最終得到對齊的邊緣。

圖 6：相移時序圖。

圖 7 顯示了 80% 調光占空比和 200Hz 調光頻率(5ms 周期)的相移效果。黑色曲線顯示 8-dB 到 9-dB 的 EM 噪聲通過相移降低。

圖 7：相移 EM 光譜。

輸出頻率完全取決于(輸入)DIM 頻率，通常在 100 Hz 到 1,000 Hz 的范圍內。

混合調光

背光調光是通過降低 LED 電流或使用脈沖寬度調制 (PWM) 斬斷恒定 LED 電流來實現的。對 LED 電流進行時間分片會降低燈的亮度，而不會影響其顏色。PWM 調光頻率必須高于 100 Hz 才能被人眼檢測為閃爍。然而，由于頻繁的大電流轉換和開關損耗，在高亮度(大電流)下使用 PWM 調光會引入高 EM 噪聲。另一方面，LED 非線性限制了低亮度下電流傳輸的準確性。

在混合調光模式下(圖 8)，外部 LED 通過首先降低其電流幅度來調光。在交叉電平，調光轉換為 PWM，LED 電流被斬波。這降低了僅電流變化的亮度范圍內的 EMI。

圖 8：混合調光。

LED 背光實現

例如，MAX20446 是一款帶升壓控制器的六通道背光驅動器，適用于汽車顯示器。每個集成電流輸出吸收高達 130-mA LED 電流。該器件接受 4.5V 至 36V 的寬輸入電壓范圍，并可承受直接的汽車負載突降事件。

內部電流模式開關 DC/DC 控制器支持升壓或 SEPIC 拓撲，并在 400kHz 至 2.2MHz 頻率范圍內工作。串的集成擴頻和相移調光有助于降低 EMI。

自適應輸出電壓控制方案可最大限度地減少 LED 電流吸收路徑中的功耗。圖 9 顯示了器件效率與競爭 IC 的對比。

圖 9：效率優勢。

該器件具有 I 2 C 控制的 PWM 調光和混合調光功能，可選擇在 DIM 引腳提供外部 PWM 信號。在任何一種情況下，最小脈沖寬度都是 500 ns。因此，200 Hz 時的最大 PWM 調光比為 5 ms/500 ns = 10,000。電流降低調光有四個級別(50%、25%、12.5% 和 6.25%)。憑借 10,000 PWM 調光比和 6.25% (16x) 模擬，可獲得的最大調光比達到驚人的 160,000:1。

小型 24 引腳 TQFN 封裝有助于將 PCB 尺寸減小到 1,094 mm 2，比競爭解決方案提高 42%，這也降低了成本。

結論

LED 背光照明提出了與 EMI、可調光性、可靠性、效率和尺寸相關的若干設計挑戰。MAX20446 六通道背光 LED 驅動器提供擴頻和相移以實現低 EMI、AM 無線電頻段以外的可選工作頻率以及通過 I 2 C 接口實現前所未有的混合調光水平。高效率提高了系統可靠性，而小尺寸降低了 PCB 成本。

審核編輯：湯梓紅