克服汽车显示解决方案中背光 LED 驱动器的挑战

1.前言

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。

2.显示现状

汽车行业的主要挑战之一是，克服汽车电源总线上要求苛刻的电气环境，其主要的挑战是瞬态情况，如大家熟知的负载突降和冷车发动。负载突降情况指的是，在交流发电机仍然在给电池充电时，电池电缆断开。这可能在电池电缆松动而汽车正在行驶时、或者在电池电缆断裂而汽车正在行驶时发生。这种电池电缆的突然断接可能产生高达 40V 的瞬态电压尖峰，因为交流发电机试图给一个已经断接的电池充满电。交流发电机上的瞬态电压抑制器通常将总线电压箝位到约 36V，并吸收大多数电流浪涌。不过，交流发电机下游的 DC/DC 转换器要承受这些 36V 至 40V 的瞬态电压尖峰，要确保这些转换器在发生这种瞬态事件时不被损坏，而且输出电压稳定，可以在外部用不同的可替换保护电路实现，如常被选用的瞬态电压抑制器，但这些方面将增加成本和重量并占用空间。

高分辨率和无缝操作对于较大的汽车显示屏非常重要，如图 1 所示，因为消费者需要清晰的画面和流畅的功能。鉴于车辆中的恶劣环境，系统可靠性和安全性也受到关注。因此，设计师很难找到一种专为大屏幕设计的背光 LED 解决方案，同时还能提供高调光比并确保系统安全。

图 1：带 LCD 屏幕的汽车显示器

为了驱动更大的显示屏，背光 LED 驱动器必须具有高升压电压和高电流吸收器。通常，汽车显示器需要大于 1000 尼特，这需要更多的 LED 或更亮、更高电流的 LED 才能达到这种亮度水平。使用更多的 LED 会导致更高的升压，而使用更强的 LED 会导致更大的电流。使用外部开关场效应晶体管 (FET)，如图 2 所示，将提供更高的功率密度来管理更大尺寸的面板。此外，使用外部 FET，功耗从 IC 扩散得更远，从而降低了热升。还需要具有高电流低侧电流吸收器的多通道驱动器来驱动不同通道的显示均匀性。

TI 的六通道 LP8866-Q1 汽车背光驱动器可最大限度地提高功率密度并具有外部开关 FET。该器件专为信息娱乐系统和平视显示器等应用而设计，可提供高达 200 mA 的电流吸收器。大电流吸收器有助于确保您的显示器始终具有足够的亮度——即使在最晴朗的日子也能轻松阅读。

图 2：汽车背光 LED 驱动器拓扑

为了在大范围内实现亮度的平滑过渡，脉宽调制 (PWM) 调光是必要的，并且应该具有高分辨率——尤其是在弱光情况下。在明亮的条件下，模拟调光将是更好的选择，以避免升压输出纹波和可闻噪声问题。

TI 使用一种称为混合调光的自适应调光控制解决方案，如图 3 所示。LP8866-Q1 可以从 100% (0xFFFF) 到 12.5% (0x2000) 输入的 12 位电流数模转换器步进开始调光亮度。低于 12.5% 的亮度，该器件可实现高达 16 位的 PWM 分辨率（PWM 占空比控制加抖动控制）。混合调光的好处包括减少电磁干扰、降低升压输出纹波和可闻噪声、提高 LED 光学效率以及提高给定 LED PWM 频率的调光分辨率。

图 3：混合调光模式