引言

根據 Strategies Unlimited 公司的研究，2010 年，高亮度 led 的市場規模預計將達到 82 億美元，而且到 2015 年，預計將增長到 202 億美元，年復合增長率 （CAGR） 為 30.6%。目前用來給顯示屏進行背光照明的 LED 是這種增長的主要驅動因素。應用包括高清電視機、汽車顯示屏、大量手持式設備等。要保持這種嘆為觀止的增長率，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對比度、畫質清晰度和色彩準確度。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所有這些性能的同時，適合多種環境照明條件，如明亮的日光、昏暗的夜晚等環境。這些晶體管液晶顯示屏 （TFT-LCD） 的應用非常廣泛，從信息娛樂系統、計量表到多種儀表都有。用 LED 對這些顯示屏進行背光照明時，為了在種類如此繁多的環境照明條件下優化顯示屏的易讀性，會引起一些獨特的 LED IC 驅動器設計挑戰。這要求 LED 驅動器能夠提供非常寬的調光范圍和高效率，并承受相對苛刻和嚴酷的汽車電氣及物理環境的考驗。最后，這些解決方案必須是非常扁平和占板面積緊湊，同時必須提高成本效益。

在汽車照明市場，靠什么支撐這么令人嘆為觀止的增長潛力呢？首先，LED 的發光效率比白熾燈高 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生的熱量。隨著 LED 的進一步開發，其用電功率產生流明的效率只會持續提高。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，這在一個非常有環保意識的世界上是非常重要的。第三，大約每用 1，000 個小時，白熾燈就需要更換，熒光燈的持續使用時間達到 1 萬小時，相比之下，LED 的壽命超過 10 萬小時。在大多數應用中，這允許 LED 永久性地嵌入到最終應用中，而無需附屬裝置。對于嵌入到汽車內部的儀表/導航/信息娛樂系統顯示屏的背光照明而言，這尤其重要，因為在汽車的壽命期內，它們永遠都不需要更換。此外，LED 比其它照明燈小和扁平數個量級，因此 LCD 顯示屏可以非常薄，因此在汽車內部所需空間最小。此外，通過采用紅、綠和藍光 LED 配置，可以提供無限多種色彩。LED 還能夠以比人眼能檢測到的速度快得多的速度調光和接通/斷開，從而顯著改進了 LCD 顯示屏的背光照明，同時實現了極高的對比度和分辨率。

汽車照明系統設計師面臨的最大挑戰之一是，如何優化最新一代 LED 的所有優勢。由于 LED 一般需要一個準確和高效率的 DC 電流源和一種調光方法，因此 LED 驅動器 IC 的設計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、非常緊湊和經濟實惠的。可以說，對于 LED 驅動來說，將會在航空電子、船舶和汽車信息娛樂系統 TFT-LCD 背光照明應用中發現要求最苛刻的應用，因為這些應用必須面對嚴酷的汽車電氣環境，必須補償變化范圍很大的環境照明條件，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，還要保持有吸引力的成本結構。

汽車 LED 背光照明

諸如小尺寸、極長的壽命、低功耗和增強的調光能力等優勢已經引發了 LED TFT-LCD 背光照明在今天的汽車、飛機和船舶中的廣泛普及和采用。信息娛樂系統通常有一個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、進行音頻調諧和完成其它各種任務。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 陣列取代這些相對較大的 CCFL 燈的做法正在變得越來越常見，白光 LED 提供更準確和可調的背光照明，以及很容易超過汽車壽命的使用壽命。

在這種環境中使用 LED 的好處是，可以產生幾種正面影響。首先，它們永遠不需要更換，因為它們的可靠壽命長達 10 萬多小時 （使用年限為 11.5 年），超過了汽車本身的壽命。這允許汽車制造商永久性地將它們嵌入到車內的背光照明系統中，而無需考慮便于更換的問題。款式可能也是一個顯著變化之處，因為 LED 照明系統不需要像 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，從而無需任何笨重和昂貴的散熱裝置。

LED 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。由于汽車內部的環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 背光照明系統必須能夠提供非常大的調光比，一般高達 30，000:1。采用合適的 LED 驅動器 IC，這種大的調光比相對容易實現，而用 CCFL 背光照明則不可能。圖 1 顯示了一個典型的基于 LCD 的模擬儀表板。

圖 1：模擬儀表板

汽車 LED 照明的設計參數

為了確保最佳性能和長的工作壽命，LED 需要一個有效的驅動電路。這些驅動器 IC 必須靠條件相當苛刻的汽車電源總線工作，而且必須經濟實惠并節省空間。為了保持 LED 有長的工作壽命，必須不超過 LED 電流和溫度限制。

汽車行業的主要挑戰之一是，克服汽車電源總線上要求非常苛刻的電氣環境。主要的挑戰是瞬態情況，如大家熟知的負載突降和冷車發動。負載突降情況指的是，在交流發電機仍然在給電池充電時，電池電纜斷開。這可能在電池電纜松動而汽車正在行駛時、或者在電池電纜斷裂而汽車正在行駛時發生。這種電池電纜的突然斷接可能產生高達 40V 的瞬態電壓尖峰，因為交流發電機試圖給一個已經斷接的電池充滿電。交流發電機上的瞬態電壓抑制器通常將總線電壓箝位到約 36V，并吸收大多數電流浪涌。不過，交流發電機下游的 DC/DC 轉換器要承受這些 36V 至 40V 的瞬態電壓尖峰。要求這些轉換器在發生這種瞬態事件時不被損壞，而且使輸出電壓穩定。有各種不同的可替換保護電路可在外部實現，通常是瞬態電壓抑制器。不過它們增加成本和重量并占用空間。

“冷車發動”指的是汽車引擎處于寒冷或冰凍溫度一段時間后發生的情況。引擎機油變得極黏稠，需要引擎啟動器提供更大的扭轉力，這反過來又從電池吸取了更大的電流。這種大電流負載可能在點火時將電池/主總線電壓拉至低于 4.0V，之后一般返回到標稱的 12V。

不過，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 能夠在出現這兩種情況時不被損壞，并調節一個固定的輸出電壓。該器件 3V 至 30V 的輸入電壓范圍和 40V 的瞬態保護使其非常適合汽車環境。甚至當 VIN 高于 VOUT 時 （這種情況可以在 36V 瞬態時發生），LT3599 仍將調節所需的輸出電壓。

大多數 LCD 背光照明應用需要 10 至 15W 的 LED 功率，凌力爾特公司的 LT3599 已經設計成為這種應用服務。它能夠將汽車總線電壓 （標稱 12V） 提高至高達 44V，以驅動多達 4 個并聯的 LED 串 （每串含有 10 個串聯的 100mA LED）。圖 2 顯示了 LT3599 驅動 4 個并聯 LED 串的原理圖，每串都由 10 個 80mA 的 LED 組成，總共提供 12W 功率。

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

LT3599 采用一種自適應反饋環路設計，該設計調節輸出電壓至略高于 LED 串的最高電壓。這最大限度地降低了鎮流電路中損失的功率，以優化效率。圖 3 說明了 LT3599 的效率，其效率可高達 90%。這一點很重要，因為這樣就無需任何散熱措施了，從而實現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，以確保背光照明亮度在整個顯示屏上是一致的。LT3599 在 -40°C 至 125°C 的溫度范圍內保證 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、恒定電流升壓型轉換器拓撲。其內部的 44V、2A 開關能夠驅動 4 個 LED 串 （每串由多達 10 個 100mA 的 LED 串聯組成）。其開關頻率在 200kHz 至 2.5MHz 范圍內是可編程和可同步的，從而使其能夠保持開關頻率在 AM 收音機頻帶之外，同時最大限度地減小外部組件尺寸。如果所使用的 LED 串較少，那么其設計還使該器件能夠運行 4 個 LED 串之一，而且每串都能夠提供額外的 LED 電流。每個 LED 串都能使用相同數量的 LED，或者可以每串用不同數量的 LED，以非對稱形式運行。

LT3599 提供調光比高達 3，000:1 的直接 PWM 模式，以及可通過控制引腳實現調光比高達 20:1 的模擬調光。在需要調光比高達 30，000:1 的應用中，這兩種調光功能可以結合起來，以達到所需的調光比。某些正在出現的汽車、船舶和航空電子應用常常需要這種非常高的調光比，以補償 LCD 顯示屏所處變化范圍非常大的環境光線。

此外，LT3599 具有集成的保護功能，包括開路和短路保護以及報警引腳。例如，如果一個或多個 LED 串開路，LT3599 就調節其余的 LED 串。如果所有 LED 串都開路，它仍然調節輸出電壓，而且在兩種情況下，都會向 OPENLED 引腳發出信號。類似地，如果 VOUT 和任何 LED 引腳之間發生短路，那么 LT3599 就立即斷開該通道，并設置一個 SHORTLED 標記。禁止該通道可保護 LT3599 免受大功率熱量耗散的影響，并確保可靠工作。其它優化可靠性的功能包括：停機時輸出斷接、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用提供了一種理想的 LED 驅動器解決方案。

對更高性能和更高成本效益的持續需求驅動了 LED 背光照明應用在汽車顯示屏中前所未有地加速采用。這些新出現的性能要求必須由新的 LED 驅動器 IC 實現。這些 LED 驅動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，必須提供大的調光比，必須擁有各種保護功能，以提高系統可靠性。這些 LED 驅動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改進 LED 驅動器產品系列，以期用 LT3599 這類面向顯示屏應用的 LED 驅動器 IC 迎頭戰勝這些挑戰。此外，針對從 LCD 背光照明、轉向信號指示燈到前燈應用的大量汽車應用，凌力爾特公司已經開發了一個全面的大電流 LED 驅動器系列。隨著汽車照明系統不斷需要更高性能的 LED 驅動器，凌力爾特公司也將不斷戰勝這些挑戰。