【導讀】LED背光照明在汽車上已經(jīng)得到了廣泛的應用，尤其是在儀表板、導航儀等車載信息娛樂系統(tǒng)上。由于這些應用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，該如何優(yōu)化這種設計呢？
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(diào)光方法，所以 LED 驅(qū)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(qū)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(jié)構(gòu)。
汽車LED背光照明
諸如尺寸小、壽命極長、功耗低和調(diào)光能力增強等優(yōu)勢已經(jīng)導致 LED TFT-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(diào)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 1 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(nèi)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(diào)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1 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(nèi)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(qū)動器 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(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 30，000:1 的非常寬調(diào)光比。采用合適的 LED 驅(qū)動器 IC，這類寬調(diào)光比相對容易實現(xiàn)，而用 CCFL 背光照明則是不可能的。圖 2 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2 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(qū)動電路。這類驅(qū)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(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)生時調(diào)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(diào)節(jié)一個固定輸出電壓。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 VIN 大于 VOUT (這種情況可能在 40V 瞬態(tài)時發(fā)生) 時，LT3760 仍將調(diào)節(jié)所需的 LED 電流。
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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(qū)動 8 個并聯(lián) LED 串(每串含有 10 個 80mA 的串聯(lián) LED)。圖 3 顯示了 LT3760 驅(qū)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3 采用 LT3760、效率為 90% 的 28W LED 背光照明電路
LT3760 采用自適應反饋環(huán)路設計，該設計調(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(qū)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(nèi)保證 LED 電流變化不到 ±2%，而且正如在圖 4 中能看到的那樣，它的典型值較接近 ±0.5%。
圖4： 圖 3 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(qū)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(nèi)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(diào)光比和通過控制引腳的模擬調(diào)光 (提供高達 25:1 的調(diào)光比) 提供直接 PWM。在需要高達 30，000:1 調(diào)光比的應用中，這兩種調(diào)光功能可以結(jié)合起來，以達到所需調(diào)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(diào)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(diào)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(diào)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(diào)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(nèi)部軟啟動。
設計師們都在不斷追求更優(yōu)化的LED背光照明設計，相信隨著技術的發(fā)展，這一目標一定會實現(xiàn)。
