新型汽車顯示屏背光源的LED驅(qū)動器解決方案

汽車液晶顯示器 (LCD) 使用多串高亮度 LED 進(jìn)行背光照明。多串 LED 驅(qū)動器是一種有效的電源解決方案，但它們的使用帶來了一些與電磁干擾 (EMI)、可調(diào)光性、安全性、可靠性、效率和尺寸相關(guān)的設(shè)計挑戰(zhàn)。

汽車中的環(huán)境光照條件從強烈的陽光到完全黑暗的情況不等，這意味著 LED 背光必須提供較寬的調(diào)光范圍，以確保全天的眼睛舒適度，同時避免可見的亮度變化(閃爍)。汽車電子設(shè)備中的低 EMI 對避免干擾車輛中的多個射頻接收器至關(guān)重要。LED 驅(qū)動器必須高效以產(chǎn)生最少的熱量，防止顯示器過熱并提高整體系統(tǒng)的可靠性。隨著每個顯示器的尺寸和分辨率隨著時間的推移而增加，所需的電子設(shè)備變得更加復(fù)雜，并且必須在重量和體積上都受到限制。

本文討論了汽車背光源的性能要求以及設(shè)計它們時遇到的主要挑戰(zhàn)。將推出克服這些障礙的 LED 驅(qū)動器解決方案。

圖 1：汽車 LCD 顯示屏。

汽車 LED 背光顯示器

背光提供由 LCD 中的液晶調(diào)制的光源，用于圖像顯示。汽車中最大的顯示器是儀表盤顯示器和中央堆?；蛑醒?a target="_blank">信息顯示器。它們的對角線尺寸可達(dá) 12 英寸，并且在每一代新一代汽車中的使用都在增長。它們的背光通常由四或六個交錯的 LED 二極管串實現(xiàn)，每串有七到九個二極管，如圖2 所示。如果一個 LED 出現(xiàn)故障，它將禁用整個字符串。使用交錯的字符串，如果一個字符串出現(xiàn)，整個屏幕的整體亮度會均勻降低。

圖 2：側(cè)光式交錯式 LED 背光。

LED 驅(qū)動器

多串 LED 驅(qū)動器(圖 3)由一個開關(guān)穩(wěn)壓器和多個電流吸收器組成。為 LED 供電的開關(guān)穩(wěn)壓器必須滿足特定要求。輸出電壓優(yōu)化對于最小化功耗和將電路溫度保持在可接受的水平至關(guān)重要。它必須在電池提供的整個電壓范圍內(nèi)運行，并且能夠承受“負(fù)載突降”電壓瞬變。電流幅度必須非常準(zhǔn)確，因為它控制著 LED 顏色。

圖 3：升壓 LED 背光。

理想情況下，LED 驅(qū)動器應(yīng)具有支持多種配置以實現(xiàn)不同功能的靈活架構(gòu)。圖 3 顯示了升壓配置，但我們也應(yīng)該考慮其他配置。如果串中的二極管數(shù)量較少，則可以使用單端初級電感轉(zhuǎn)換器 (SEPIC) 拓?fù)?。例如，針對電池電壓的兩個或三個 LED(7 V 或 10.5 V)可以從低于 6 V(冷啟動)到 16 V 不等。支持不同架構(gòu)的單個控制器具有明顯的規(guī)模經(jīng)濟(jì)和易于重用的優(yōu)勢。

降低 EMI

擴頻 (SS) 調(diào)制通常是滿足 EMI 標(biāo)準(zhǔn)所必需的。圖 4 (顯示了沒有 SS 的設(shè)備)和圖 5 (顯示了有 SS 的設(shè)備)說明了擴頻的效果。在圖 5中，SS 通過在更寬的頻帶上“擴展”噪聲功率來降低諧波峰值能量。在本例中，開關(guān)頻率為 400 kHz，低于 AM 頻段，電磁 (EM) 噪聲降低高于 10 dB。

圖 4：沒有擴頻的設(shè)備。

圖 5：擴頻設(shè)備。

在選擇穩(wěn)壓器的開關(guān)頻率時，選擇低于或高于 AM 頻帶的頻率是有利的。這避免了開關(guān)頻率的峰值落在允許的電磁輻射較低的 AM 波段。

相移

相移(圖 6)是一種技術(shù)，通過該技術(shù)，電流吸收輸出以交錯的方式打開和關(guān)閉，從而減少從開關(guān)轉(zhuǎn)換器汲取的峰值電流。使用相移可降低頻率高于 1 MHz 的 EMI。在啟用相移和六個燈串的情況下，LED 燈串可以打開/關(guān)閉并交錯 60°。因此，輸出電流 (I LED1-6 ) 邊沿不重疊(恰好在 16.6667% 處除外)，導(dǎo)致每次轉(zhuǎn)換期間釋放的 EM 能量峰值較低。占空比 T ON /T = 16.6667 對應(yīng)于 60° 的 T ON 。換句話說，如果 T ON的寬度 是 1/6 th 在周期 T 中，相移為 60°，最終得到對齊的邊緣。

圖 6：相移時序圖。

圖 7 顯示了 80% 調(diào)光占空比和 200Hz 調(diào)光頻率(5ms 周期)的相移效果。黑色曲線顯示 8-dB 到 9-dB 的 EM 噪聲通過相移降低。

圖 7：相移 EM 光譜。

輸出頻率完全取決于(輸入)DIM 頻率，通常在 100 Hz 到 1,000 Hz 的范圍內(nèi)。

混合調(diào)光

背光調(diào)光是通過降低 LED 電流或使用脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 斬斷恒定 LED 電流來實現(xiàn)的。對 LED 電流進(jìn)行時間分片會降低燈的亮度，而不會影響其顏色。PWM 調(diào)光頻率必須高于 100 Hz 才能被人眼檢測為閃爍。然而，由于頻繁的大電流轉(zhuǎn)換和開關(guān)損耗，在高亮度(大電流)下使用 PWM 調(diào)光會引入高 EM 噪聲。另一方面，LED 非線性限制了低亮度下電流傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。

在混合調(diào)光模式下(圖 8)，外部 LED 通過首先降低其電流幅度來調(diào)光。在交叉電平，調(diào)光轉(zhuǎn)換為 PWM，LED 電流被斬波。這降低了僅電流變化的亮度范圍內(nèi)的 EMI。

圖 8：混合調(diào)光。

LED 背光實現(xiàn)

例如，MAX20446 是一款帶升壓控制器的六通道背光驅(qū)動器，適用于汽車顯示器。每個集成電流輸出吸收高達(dá) 130-mA LED 電流。該器件接受 4.5V 至 36V 的寬輸入電壓范圍，并可承受直接的汽車負(fù)載突降事件。

內(nèi)部電流模式開關(guān) DC/DC 控制器支持升壓或 SEPIC 拓?fù)?，并?400kHz 至 2.2MHz 頻率范圍內(nèi)工作。串的集成擴頻和相移調(diào)光有助于降低 EMI。

自適應(yīng)輸出電壓控制方案可最大限度地減少 LED 電流吸收路徑中的功耗。圖 9 顯示了器件效率與競爭 IC 的對比。

圖 9：效率優(yōu)勢。

該器件具有 I 2 C 控制的 PWM 調(diào)光和混合調(diào)光功能，可選擇在 DIM 引腳提供外部 PWM 信號。在任何一種情況下，最小脈沖寬度都是 500 ns。因此，200 Hz 時的最大 PWM 調(diào)光比為 5 ms/500 ns = 10,000。電流降低調(diào)光有四個級別(50%、25%、12.5% 和 6.25%)。憑借 10,000 PWM 調(diào)光比和 6.25% (16x) 模擬，可獲得的最大調(diào)光比達(dá)到驚人的 160,000:1。

小型 24 引腳 TQFN 封裝有助于將 PCB 尺寸減小到 1,094 mm 2，比競爭解決方案提高 42%，這也降低了成本。

結(jié)論

LED 背光照明提出了與 EMI、可調(diào)光性、可靠性、效率和尺寸相關(guān)的若干設(shè)計挑戰(zhàn)。MAX20446 六通道背光 LED 驅(qū)動器提供擴頻和相移以實現(xiàn)低 EMI、AM 無線電頻段以外的可選工作頻率以及通過 I 2 C 接口實現(xiàn)前所未有的混合調(diào)光水平。高效率提高了系統(tǒng)可靠性，而小尺寸降低了 PCB 成本。

審核編輯：湯梓紅