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调光汽车显示屏全新汽车显示屏所需的背光照明LED驱动器设计

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引言

  根据Strategies Unlimited 公司的研究,2010年,高亮度LED的市场规模预计将达到82亿美元,而且到2015年,预计将增长到202亿美元,年复合增长率(CAGR)为 30.6%。目前用来给显示屏进行背光照明的LED是这种增长的主要驱动因素,其应用包括高清电视机、汽车显示屏、大量手持式设备等。要保持高增长率,LED 不仅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,而且还需改进对比度、画质清晰度和色彩准确度。此外,汽车、航空电子和船舶显示屏还要适合多种环境照明条件,如明亮的日光、昏暗的夜晚等。这些晶体管液晶显示屏 (TFT-LCD) 的应用非常广泛,从信息娱乐系统、计量表到多种仪表,用 LED 对这些显示屏进行背光照明时,为了在种类繁杂的环境照明条件下优化显示屏的易读性,会带来一些独特的 LED IC 驱动器设计挑战,这要求 LED 驱动器能够提供非常宽的调光范围和高效率,并承受相对苛刻和严酷的汽车电气及物理环境的考验。最后,这些解决方案必须是扁平的,且占板面积紧凑,以提高成本效益。

  LED在汽车照明市场的快速增长源于如下几个因素:首先,LED 的发光效率比白炽灯高 10 倍多,几乎是荧光灯效率的两倍,其中包括冷阴极荧光灯 (CCFL),因此减少了提供一定量光输出 (以流明为单位) 所需的电功率以及其所产生的热量。随着 LED 的进一步开发,其用电功率产生流明的效率只会持续提高。其次,LED 照明不需要处理、接触和清除 CCFL/荧光灯中常见的有毒水银蒸气,这很好满足了绿色环保的要求。第三,大约每用 1000 个小时,白炽灯就需要更换,荧光灯的持续使用时间达到1万小时,相比之下,LED 的寿命超过10万小时。在大多数应用中,这允许 LED 永久性地嵌入到最终应用中,而无需附属装置。对于嵌入到汽车内部的仪表/导航/信息娱乐系统显示屏的背光照明而言,这尤其重要,因为在汽车的寿命期内,它们永远都不需要更换。此外,LED 比其它照明灯小和扁平数个量级,因此 LCD 显示屏可以非常薄,因此在汽车内部所需空间最小。此外,通过采用红、绿和蓝光 LED 配置,可以提供无限多种色彩。LED 还能够以比人眼能检测到的速度快得多的速度调光和接通/断开,从而显著改进了 LCD 显示屏的背光照明,同时实现了极高的对比度和分辨率。

  汽车照明系统设计师面临的最大挑战之一是,如何优化最新一代 LED 的所有优势。由于 LED 一般需要一个准确和高效率的 DC 电流源和一种调光方法,因此 LED 驱动器 IC 的设计必须在各种各样的条件下满足这些要求。电源解决方案必须是高效率、功能可靠、紧凑且经济实惠的。可以说,对于 LED 驱动来说,将会在航空电子、船舶和汽车信息娱乐系统 TFT-LCD 背光照明应用中发现要求最苛刻的应用,因为这些应用必须面对严酷的汽车电气环境,必须补偿变化范围很大的环境照明条件,必须放在非常受限的空间中,与此同时,要保持具有吸引力的成本结构。

汽车 LED 背光照明

  诸如小尺寸、极长的寿命、低功耗和增强的调光能力等优势已经引发了 LED TFT-LCD 背光照明在今天的汽车、飞机和船舶中的广泛应用。信息娱乐系统通常有一个安装在仪表板中央某处的 LCD 显示屏,以便驾驶员和乘客都能非常容易地查看地点、进行音频调谐和完成其它各种任务。此外,很多汽车在后座上还有为乘客提供娱乐的 LCD 显示屏,提供电影、视频游戏等等。历史上,这些显示屏使用 CCFL 背光照明,但是用非常扁平的白光 LED 阵列取代这些相对较大的 CCFL 灯的做法正在变得越来越常见,白光 LED 提供更准确和可调的背光照明,以及很容易超过汽车寿命的使用寿命。

  在这种环境中使用 LED 的好处是,可以产生几种正面影响。首先,它们永远不需要更换,因为它们的可靠寿命长达 10 万多小时 (使用年限为 11.5 年),超过了汽车本身的寿命。这允许汽车制造商永久性地将它们嵌入到车内的背光照明系统中,而无需考虑便于更换的问题。款式可能也是一个显著变化之处,因为 LED 照明系统不需要像 CCFL 灯那样占用那么深的空间或那么大的面积。在从输入电源提供光输 (以流明为单位) 方面,LED 一般也比荧光灯的效率高。这有两种积极的影响。第一,这对汽车总线提供的电功率消耗得较少,另外同样重要的是,这减少了需要在显示屏中消散的热量,从而无需任何笨重和昂贵的散热装置。

  LED 照明的另一个重要好处是,高性能 LED 驱动器 IC 提供的宽调光比能力。由于汽车内部的环境照明条件变化范围很大,包括从直接日光照明到完全黑暗之间的每一种变化,因此 LED 背光照明系统必须能够提供非常大的调光比,一般高达 30,000:1。采用合适的 LED 驱动器 IC,这种大的调光比相对容易实现,而用 CCFL 背光照明则不可能。图 1 示意了一个典型的基于 LCD 的模拟仪表板。

图1模拟仪表板

汽车 LED 照明的设计参数

  为了确保最佳性能和长的工作寿命,LED 需要一个有效的驱动电路。这些驱动器 IC 必须依靠条件苛刻的汽车电源总线工作。而为了保持 LED 更长的工作寿命,设计时要求不能超过 LED 电流和温度限制。

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