汽車顯示器追求更明亮的背光照明

根據 Strategies Unlimited 公司的數據 (參見圖 1)，到 2012 年，高亮度 (HB) LED 的市場規(guī)模預計將達到 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品的顯示器必須最大限度地實現所有這些改進，同時能接受從明亮的太陽光到沒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) 實現的顯示應用包括信息娛樂系統、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 LED IC 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。

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開始的，這類系統一般有一個 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共用的，從而非常容易讀取控制板上的數字。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中，而不需要為更換留有余地。因為 LED 照明系統不需要 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，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

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。