克服汽車顯示解決方案中背光 LED 驅動器的挑戰(zhàn)

1.前言

根據(jù)Strategies Unlimited 公司的研究，2010年，高亮度LED的市場規(guī)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，其應用包括高清電視機、汽車顯示屏、大量手持式設備等。要保持高增長率，LED 不僅需要提供更高的可靠性、更低的功耗和更小/更平的外形尺寸，而且還需改進對比度、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要適合多種環(huán)境照明條件，如明亮的日光、昏暗的夜晚等。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(tǒng)、計量表到多種儀表，用 LED 對這些顯示屏進行背光照明時，為了在種類繁雜的環(huán)境照明條件下優(yōu)化顯示屏的易讀性，會帶來一些獨特的 LED IC 驅動器設計挑戰(zhàn)，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(huán)境的考驗。最后，這些解決方案必須是扁平的，且占板面積緊湊，以提高成本效益。

2.顯示現(xiàn)狀

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苛刻的電氣環(huán)境，其主要的挑戰(zhàn)是瞬態(tài)情況，如大家熟知的負載突降和冷車發(fā)動。負載突降情況指的是，在交流發(fā)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(fā)生。這種電池電纜的突然斷接可能產生高達 40V 的瞬態(tài)電壓尖峰，因為交流發(fā)電機試圖給一個已經斷接的電池充滿電。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約 36V，并吸收大多數(shù)電流浪涌。不過，交流發(fā)電機下游的 DC/DC 轉換器要承受這些 36V 至 40V 的瞬態(tài)電壓尖峰，要確保這些轉換器在發(fā)生這種瞬態(tài)事件時不被損壞，而且輸出電壓穩(wěn)定，可以在外部用不同的可替換保護電路實現(xiàn)，如常被選用的瞬態(tài)電壓抑制器，但這些方面將增加成本和重量并占用空間。

高分辨率和無縫操作對于較大的汽車顯示屏非常重要，如圖 1 所示，因為消費者需要清晰的畫面和流暢的功能。鑒于車輛中的惡劣環(huán)境，系統(tǒng)可靠性和安全性也受到關注。因此，設計師很難找到一種專為大屏幕設計的背光 LED 解決方案，同時還能提供高調光比并確保系統(tǒng)安全。

圖 1：帶 LCD 屏幕的汽車顯示器

為了驅動更大的顯示屏，背光 LED 驅動器必須具有高升壓電壓和高電流吸收器。通常，汽車顯示器需要大于 1000 尼特，這需要更多的 LED 或更亮、更高電流的 LED 才能達到這種亮度水平。使用更多的 LED 會導致更高的升壓，而使用更強的 LED 會導致更大的電流。使用外部開關場效應晶體管 (FET)，如圖 2 所示，將提供更高的功率密度來管理更大尺寸的面板。此外，使用外部 FET，功耗從 IC 擴散得更遠，從而降低了熱升。還需要具有高電流低側電流吸收器的多通道驅動器來驅動不同通道的顯示均勻性。

TI 的六通道 LP8866-Q1 汽車背光驅動器可最大限度地提高功率密度并具有外部開關 FET。該器件專為信息娛樂系統(tǒng)和平視顯示器等應用而設計，可提供高達 200 mA 的電流吸收器。大電流吸收器有助于確保您的顯示器始終具有足夠的亮度——即使在最晴朗的日子也能輕松閱讀。

圖 2：汽車背光 LED 驅動器拓撲

為了在大范圍內實現(xiàn)亮度的平滑過渡，脈寬調制 (PWM) 調光是必要的，并且應該具有高分辨率——尤其是在弱光情況下。在明亮的條件下，模擬調光將是更好的選擇，以避免升壓輸出紋波和可聞噪聲問題。

TI 使用一種稱為混合調光的自適應調光控制解決方案，如圖 3 所示。LP8866-Q1 可以從 100% (0xFFFF) 到 12.5% (0x2000) 輸入的 12 位電流數(shù)模轉換器步進開始調光亮度。低于 12.5% 的亮度，該器件可實現(xiàn)高達 16 位的 PWM 分辨率（PWM 占空比控制加抖動控制）?；旌险{光的好處包括減少電磁干擾、降低升壓輸出紋波和可聞噪聲、提高 LED 光學效率以及提高給定 LED PWM 頻率的調光分辨率。

圖 3：混合調光模式