引言

　　根據(jù)StrategiesUnlimited公司的數(shù)據(jù)（參見圖1），2012年，高亮度（HB）LED的市場規(guī)模達到120億美元，到2015年，該市場將增長到202億美元，年復合增長率為30.6%。目前，用來給顯示器進行背光照明的LED是這種前所未有的增長的主要驅動力。應用包括高清電視機（HDTV）、汽車顯示器和大量手持式設備。為了保持這種令人驚嘆的增長率，LED不僅必須提供增強的可靠性、更低的功耗和更小/更扁平的外形尺寸，而且必須實現(xiàn)對比度、畫面清晰度和色彩準確的明顯改進。此外，汽車、航空電子設備和航海電子產(chǎn)品的顯示器必須最大限度地實現(xiàn)所有這些改進，同時能接受從明亮的太陽光到?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）實現(xiàn)的顯示應用包括信息娛樂系統(tǒng)、計量表和種類繁多的儀表顯示器。用LED對這些顯示器進行背光照明引起了一些獨特的LEDIC驅動器設計挑戰(zhàn)，因為要在多種環(huán)境照明條件下優(yōu)化顯示器的可讀性。這要求LED驅動器能提供非常寬的調光比和高效率轉換，同時能承受汽車中相對苛刻的電及物理環(huán)境的嚴酷性。最后，這些解決方案必須提供非常扁平、緊湊的占板面積，同時提高性價比。

　　圖1：高亮度LED市場預測（Source：StrategiesUnlimited）

　　怎樣才能支持汽車照明市場如此令人驚嘆的增長潛力？首先，在產(chǎn)生光方面，LED的效率是白熾燈的10倍，同時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（以流明為單位來衡量）所需的電功率。隨著LED進一步發(fā)展，其有效性或從電功率產(chǎn)生光流明的能力只會繼續(xù)提高。其次，我們身處于一個關注環(huán)境的世界，采用LED照明時是不需要處理、接觸和清除CCFL/熒光燈中常見的有毒水銀蒸氣。最后，白熾燈大約每 1，000小時就需要更換，而熒光燈可持續(xù)使用1萬小時，相比之下，LED的壽命超過10萬小時。在大多數(shù)應用中，這允許LED永久嵌入到最終應用中。就汽車儀表/導航/信息娛樂系統(tǒng)控制板的背光照明而言，這一點尤其重要，這些控制板嵌入到汽車內部，因為在汽車壽命期內，它們將永遠不需要更換。此外，LED比其他照明燈小和扁平幾個位數(shù)級，因此LCD平板顯示器可以非常薄，需要最低限度的汽車內部空間。還有，通過使用紅、綠和藍光LED配置，可以提供無限多種顏色光。LED還能以比人眼可檢測到的速度快得多的速度調光以及接通/斷開，從而實現(xiàn)了LCD顯示器背光照明的顯著改進，同時允許極高的對比度和高分辨率。

　　汽車照明系統(tǒng)設計師面臨的最大挑戰(zhàn)之一是，怎樣優(yōu)化最新一代LED的所有優(yōu)勢。因為LED一般需要準確和高效率的DC電流源及調光方法，所以LED驅動器IC必須設計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，同時又非常緊湊和經(jīng)濟實惠。按理，就驅動LED而言，要求最苛刻的應用之一將會是汽車信息娛樂系統(tǒng)和儀表板TFT-LCD背光照明應用，因為它們處于嚴酷的汽車電環(huán)境中，必須補償范圍很寬的環(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，還要保持富有吸引力的成本結構。

　　汽車LED背光照明

　　諸如尺寸小、壽命極長、功耗低和調光能力增強等優(yōu)勢已經(jīng)導致LEDTFT-LCD背光照明在今天的汽車、卡車、火車、飛機和輪船中得到了廣泛采用。 LED背光照明主要是從信息娛樂系統(tǒng)開始的，這類系統(tǒng)一般有一個LCD顯示屏，安裝在儀表板中央某個部位，以便駕駛員和乘客都能非常容易地看到它們的位置、執(zhí)行音頻調諧和其他各種任務。很多新出現(xiàn)的汽車設計都利用單個儀表板，以對方便駕駛員實施控制的所有顯示儀表進行背光照明，如圖2所示。對儀表板的 LED背光照明常常是與信息娛樂系統(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的很多車輛以及還有安裝在飛機座椅背后的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，不過用非常扁平的白光LED陣列替換相對較大的CCFL燈，以提供更準確和可調節(jié)的背光照明以及能超過車輛或飛機壽命的工作壽命，這已經(jīng)變得越來越常見了。

　　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永遠不需要更換，因為它們的可靠壽命超過10萬小時（11.5年的使用年限），已經(jīng)超過了車輛壽命。這允許汽車制造商將LED永久性地嵌入到車內背光照明系統(tǒng)中，而不需要為更換留有余地。因為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，從而無需笨重、昂貴的散熱器。

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

　　圖3：LED背光照明儀表板和導航顯示器

　　汽車LED照明設計參數(shù)

　　為了確保最佳性能和長工作壽命，LED需要有效的驅動電路。這類驅動器IC必須能靠條件相當苛刻的汽車電源總線工作，而且經(jīng)濟實惠、空間利用效率高。為了保持長工作壽命，首要的是，不要超過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酷的電環(huán)境。這些主要挑戰(zhàn)是稱為負載突降和冷車發(fā)動的瞬態(tài)情況。負載突降指的是，電池電纜斷接同時交流發(fā)電機仍然在給電池充電的情況。當電池電纜連接不牢固而汽車正在運行時，或當電池電纜斷開而汽車正在行駛時，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40V的瞬態(tài)電壓尖峰，因為交流發(fā)電機正在嘗試給已經(jīng)不存在的電池充滿電。交流發(fā)電機上的瞬態(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；不過交流發(fā)電機下游的DC/DC轉換器要承受這36V至40V的瞬態(tài)電壓尖峰。這些轉換器要求不被損壞，并在這種瞬態(tài)事件發(fā)生時調節(jié)輸出電壓。有各種不同的保護電路可供選擇，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，不過增加了成本和重量，并占用空間。

　　“冷車發(fā)動”指的是，當汽車發(fā)動機承受寒冷或冰凍溫度一段時間時發(fā)生的情況。發(fā)動機油變得極度黏滯，需要發(fā)動機啟動器提供更大的扭矩，這反過來又從電池吸取更大的電流。這種大電流負載在點火時可能將電池/主總線電壓拉低至6V，之后負載通常返回標稱的12V。

　　幸運的是，對這些問題已經(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)時不被損壞，并調節(jié)一個固定輸出電壓。 LT37606V至40V的輸入電壓范圍使其非常適用于汽車環(huán)境。甚至當VIN大于VOUT（這種情況可能在40V瞬態(tài)時發(fā)生）時，LT3760仍將調節(jié)所需的LED電流。

　　由于大多數(shù)汽車LCD背光照明應用都需要20W至35W的LED功率，所以LT3760設計為滿足這些需求。該器件可以將汽車總線電壓（6V至18V/標稱12V）升高至44V，以驅動8個并聯(lián)LED串（每串含有10個80mA的串聯(lián)LED）。圖4顯示了LT3760 驅動8個并聯(lián)LED串的原理圖，每串由10個80mA的LED組成，總功率為28W。

　　圖4：采用LT3760、效率為90%的28WLED背光照明電路

　　LT3760采用自適應反饋環(huán)路設計，該設計調節(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，因為消除了任何散熱需求，從而實現(xiàn)了占板面積非常緊湊的扁平解決方案。就驅動LED陣列而言，同樣重要的是，提供準確的電流匹配，以確保在整個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撲。該器件采用單個60V外部N溝道MOSFET，能驅動8串由多達10個100mA串聯(lián)連接LED組成的LED串。其開關頻率是可編程的，并可在100kHz至1MHz范圍內同步，從而使其能提供最佳效率，同時最大限度地減小外部組件尺寸。其設計還使該器件能運行4串 200mA的LED串或甚至兩串400mA的LED串。每個LED串能使用同樣數(shù)量的LED，或能以每串不同數(shù)量的LED非對稱地運行。

　　LT3760以高達3，000:1的調光比和通過控制引腳的模擬調光（提供高達25:1的調光比）提供直接PWM。在需要高達30，000:1調光比的應用中，這兩種調光功能可以結合起來，以達到所需調光比。似乎隨著汽車顯示器技術的完善，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，同時更喜歡使用較大的調光比，以補償不斷變化的環(huán)境照明條件。

　　此外，LT3760有集成的保護功能，包括開路和短路保護以及一個/FAULT診斷引腳。例如，如果一個或多個LED串開路，那么LT3760就會調節(jié)其余的LED串，并將/FAULT引腳設定為高。如果所有LED串都處于開路狀態(tài)，那么該器件仍會調節(jié)輸出電壓，而且在兩種情況下，都會將/FAULT引腳設定為高。類似地，如果在VOUT和任何LED引腳之間發(fā)生短路，那么LT3760就立即斷開該通道，并繼續(xù)調節(jié)其余通道。停用該通道可保護LT3760不受大功率熱耗散的影響，并確保可靠工作。為了實現(xiàn)額外的LED保護，LT3760的CTRL引腳允許通過LED串的環(huán)境溫度設定LED電流降額曲線。一個放置在靠近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)化可讀性的特點包括停機時輸出斷接、可編程欠壓閉鎖、微功率停機和內部軟啟動。

　　結論

　　對更高性能和經(jīng)濟實惠性永不滿足的需求驅動著 LED背光照明應用在汽車顯示器中的持續(xù)加速。這些需求必須由新的LED驅動器IC來滿足。結果，這些LED驅動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光比，且必須有各種保護功能以提高系統(tǒng)可靠性。當然，這些LED驅動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。幸運的是，凌力爾特公司在不斷重新定義LED驅動器系列，以用面向顯示器應用的LT3760等高亮度LED驅動器IC迎頭客服這些苛刻的挑戰(zhàn)。此外，凌力爾特公司已經(jīng)開發(fā)出了一個完整、專門針對汽車應用的大電流LED驅動器IC系列，涵蓋從LCD 背光照明到轉向指示信號燈以及先進的前向照明前燈等各種應用。隨著汽車照明系統(tǒng)繼續(xù)需要更高性能的LED驅動器，設計師們也將有滿足需求的IC解決方案。