面向汽车和HDTV应用的最佳LED驱动器解决方案

2009年05月19日 13:05    贾延安
关键词: HDTV , LED , 方案 , 汽车 , 驱动器
目前,有关高亮度LED (发光二极管) 的市场分析统计数据存在着巨大的差异。尽管预测存在分歧,但有一个趋势是明确的,即:高亮度 (HB) LED市场将以一种惊人的速度迅猛成长。根据法国Yole Development公司所做的预测,所有LED的市场规模将在2012达到103亿美元。在这当中,高亮度和超高亮度LED总共将占到约44.5亿美 元;几乎是2007年7.83亿美元市场规模的5.5倍 (基于封装式LED)。

是什么支持了如此令人注目的成长潜力?首先,LED 的发光效率是白炽灯泡的10倍,以及荧光灯的2倍,因此,当提供一个给定的光输出量 (单位:流明)时,它所需的电能以及产生的热量大幅度下降。随着LED的进一步发展,它从电能产生光通量的效率将继续升高。其次,当今世界非常重视环 保,LED照明不需要操作、暴露和处置荧光灯泡中常见的有毒汞蒸汽。第三,白炽灯泡每1,000小时就需要更换,荧光灯泡的使用期限为10,000小时, 而LED的寿命则长达100,000小时以上。在大多数应用中,这使得LED能够被永久地嵌入在最终产品或系统中,而无需采用某种固定物。具体实例包括汽车中的车身面板或HDTV中的LCD显 示屏,因为它们在汽车或HDTV的使用期限内将永远不需要更换。此外,LED的面积和高度要比同类替代方案小几个数量级,而且可以制作成非常扁平的外形, 因此能够永久性地嵌入在汽车的内部和外部装置以及扁平的消费类电子产品中。另外,通过采用一种红光、绿光和蓝光LED配置,还可以提供无限多种彩色光。 LED的调光和接通/关断操作速度之快远远超过了人眼的分辨能力,因而在背面照明HDTV及其他类型的显示器中实现了巨大的改善。如果没有LED,高对比 度比和高分辨率清晰型LCD HD TV将无法成为现实。

然而,照明系统设计师所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通常需要一个准确而高效的DC电流源以及一种调光方法,因此,必须设计LED驱动器IC, 以在众多应用中满足这些要求。电源解决方案必须具备高效、功能坚固性、紧凑和成本效益性等特点。可以说,对于LED驱动而言,汽车应用和大型HDTV LCD显示器的背面照明应用是其所面临诸多极苛刻应用当中的两个。由于LED在汽车应用中所拥有的综合优势,它们已经被各种汽车照明形式全面采用,从车前 灯到仪表盘/导航装置背面照明以及普通的车身内部/外部照明等一应俱全。传统上一直由CCFL (冷阴极荧光灯) 来提供的LCD HDTV背面照明应用正在逐渐地被规模较大、能够以单独的LED串来调光的高亮度LED阵列所取代,从而实现了非常精准的局部调光。与采用CCFL背光源 的传统HDTV相比,这使得对比度比提高了一个数量级。如前文所述,由于具有局部调光能力和超快的响应时间,因此可以实现LED亮度的即时调节,从而消除 了在CCFL背光照明HDTV固有的运动图像模糊这一长期存在的棘手问题。

汽车LED照明

诸如小外形尺寸、低功耗和快速接通时间等优势开创了高亮度LED被当今汽车所广泛采用的局面。LED在汽车中的初始应用是中央高架停车灯 (CHMSL);这些应用使用红光LED来提供一个非常扁薄的照明阵列,该照明阵列易于安装,而且永远不需要更换。

传 统上,白炽灯泡是最为经济的光源,而且仍然被许多汽车所采用。然而,随着可用照明空间的日益缩小以及对照明光源使用寿命要求的不断提高,在许多应用中,由 LED所提供的灯光色彩和精简型设计方案正在迅速取代白炽灯泡。信息娱乐系统中的传统CCFL-LCD背面照明被白光LED阵列所取代的现象正变得越来越 普遍,后者提供了更加精准且可调的背面照明以及将轻松超越汽车寿命的使用期限。更有甚者,人们还在利用一种电“可操纵”型高电流LED阵列来开发车前灯 (见图1),而该领域一直是被卤素/氙灯丝设计所把持的。几乎所有的汽车照明应用 (包括车身内部/外部照明和背光照明应用) 都将逐步过渡为采用LED。在该环境中使用LED的好处具有诸多积极的含意。首先,它永远不需要更换,因为其长达100,000小时以上的固态寿命 (服役年限:11年半) 比汽车的使用寿命还要长。这使得汽车制造商能够把它们永久性地嵌入“车舱内”的照明系统中,而无需像以往那样留有用于更换灯丝灯泡的入口。由于LED照明 系统不需要白炽灯泡所要求的安装深度或面积,因此还可使汽车的造型发生引人注目的显著变化。

图1示出了近期投产的Lexus LS600h LED车前灯。Audi (奥迪) 公司的R8和GM公司的Escalade拥有类似的选项。所有这些车辆的总体照明配置都是相似的。每个车前灯部件包含5种专为所有照明要求而优化的LED 光束,这些光束包括:近光、远光、弯道光、昼间行驶灯和转向信号,它们全部都由LED来提供。标准光束一般将需要35W至50W的功率。听起来好像并不太 多,但请不要忘记:LED提供的光通量是卤素灯的10倍,因此50W LED的光输出与500W卤素灯是相当的。远光所需的功率与标准光束相同或稍高,而弯道光、昼间行驶灯和转向信号将需要较少的功率。这些光束均可利用单个 HB LED驱动器来驱动,这就是凌力尔特公司的LT3755。由于电能消耗有可能超过200W,可见采用发热量极少的高效率LED驱动器是何等的重要。


图1:HB LED Lexus LS600h车前灯/转向信号/行驶灯。

汽车LED照明的设计参数

为了确保最佳的性能和长久的工作寿命,LED需要一个有效的驱动电路。这些驱动电路必须能够从相当苛刻的汽车电源总线获取工作电源,而且还应兼具成本和空间“效益性”。为了维持其长久的工作寿命,一定不得超过LED的电流和温度限值。

大多数车前灯应用都需要大约50W的LED电流。凌力尔特的LT3755专为服务于此类应用而设计。它能够把汽车总线电压 (标称值为12V) 提升至高达60V,以驱动多达14个串联的1A LED,如图2所示。

图 3描绘了LT3755的效率 (可高达93%)。这一点极其重要,因为它免除了对任何功率元件进行散热的需要,从而实现了非常紧凑的占板面积。虽然图2中的电路是升压模式拓扑结构,但 LT3755运用了独特的高压侧电流检测设计,因而使其还能够根据应用的特殊要求而被配置成升压、降压模式、降压-升压模式或反激式拓扑结构。


图3:图2所示LT3755电路的效率曲线。

LT3755 从一个内部调节7V电源来驱动一个低压侧外部N沟道MOSFET。固定频率、电流模式架构在一个很宽的电源和输出电压范围内实现了稳定和精准的运作。 LT3755提供了一个恒定电流源,LED驱动器IC要想在输入电压不稳定的情况下实现恒定的LED亮度,这是必不可少的。在汽车应用中,这一点特别重 要,原因是输入电压会由于在诸如“冷车发动”和“负载突降”等过程中遇到的瞬变而发生巨大的摆动。LT3755的最大输入电压为40V,这令其即使在主汽 车总线承受40V瞬态电压的情况下 (这在负载突降条件下是很常见的) 也能够调节LED电流和电压。

一个参考于地电位的电 压反馈引脚充当众多LED保护功能电路 (例如:开路LED保护) 的输入,并可使转换器起一个恒定电压源的作用。一个频率调节引脚允许用户在100kHz至1MHz的范围内进行频率设置,以优化效率和性能,同时最大限度 地缩减外部元件尺寸。如果需要进行外部同步,则可使LT3755-1版本在其整个100kHz至1MHz的频率范围内同步至一个外部时钟。

LT3755 的True ColorTM PWM调光功能实现了高达3000:1的调光比,而发射光的色彩无变化 (见图4),从而使得能够利用PWM的占空比来对LED车前灯进行经常性的调节,以适应各种环境条件。由于凌力尔特的高电流LED驱动器是电流模式稳压 器,因此它们并非直接调节电源开关的占空比,而是由反馈环路负责在每个周期中控制开关中的峰值电流。与电压模式控制相比,电流模式控制改善了环路动态特 性,并提供了逐周期电流限制。


图4:图2中的True Color PWM调光。

HDTV背面照明

虽然看似并无关联,但汽车中的信息娱乐和导航显示器的LED背面照明却刺激了具高调光比的HB LED背光源的应用,汽车内部各种各样的环境照明条件使得宽调光比范围成为必需,而在HDTV应用中,这也是产生彩色的最大动态范围所需要的。

成 长速度最快的消费类电子产品市场之一是平板HDTV。由于消费者需要屏幕较大的HDTV和较高的分辨率,因此这种需求迅速地从等离子体HDTV转移到了 LED HDTV。根据DisplaySearch公司的预测,等离子体HDTV的销售额将在2008年达到顶峰 (240亿美元),而LCD HDTV在2008年将实现750亿美元的市场销售额,并在2010年以前增长至930亿美元。然而,LCD HDTV存在多种缺点,包括运动模糊和彩色再现性等等。也就是说,目前这一代LCD HDTV无法获得真正的“黑色”,而且提供了所有彩色的一个较低的动态范围。传统HDTV采用CCFL管作为背光源,而且仅能提供 450~650cd/m2的对比度比。这些HDTV的主要问题是其不能完全关断CCFL背光源或对之进行局部调光。

与此相反,当采用HB LED背光源时,一个能够以背面照明“LED串”来进行局部调光或关断操作的LED阵列 (对于46英寸显示器而言,LED的数目多达1600个) 提供了几乎比CCFL设计高出一个数量级的对比度比 (>4000cd/m2)。此外,通过调节背面照明LED串的亮度,还可以复制更多的中间色调,从而使得图像更加生动逼真。

能够在局部位置将LED完全关断的另一个好处是可以减少运动模糊。通过在帧与帧之间将LED完全关断,由快速运动物体所引起的图像模糊实际上将被消除。在解决CCFL背面照明LCD TV所常见的这种快速运动模糊问题的过程中,LED的快速响应速率是至关重要的。

要 想使LED背面照明HDTV成为可行方案,关键因素之一便是LED驱动器IC。由于每块显示屏包含如此之多的LED,因此LED驱动器电路必须具有非常高 的效率,否则显示器将产生严重的热问题,并需要采用体积庞大的散热器,这与消费者期盼平板HDTV外形更平、重量更轻的愿望是背道而驰的。此外,这些驱动 器IC还必须能够提供非常宽的调光比 (高达5000:1),以实现所需的宽对比度比。最后,整个LED驱动器解决方案必须非常紧凑,以造就大多数HDTV消费者所要求非常扁薄的款式。

凌 力尔特的LT3595降压模式LED驱动器具有16个单独的通道,每个通道能够从高达45V的输入来驱动由多达10个50mA LED所组成的LED串。每个通道可被用来驱动一串 (10个) LED,以提供局部调光。每个LT3595能驱动多达160个50mA白光LED。一台46英寸LCD TV将需要大约10个LT3595 (依据HDTV标准)。其16个通道均可进行独立控制,并且具有一个单独的PWM输入,该输入能够提供高达5000:1的PWM调光比。

每 个通道仅需要一个片式电感器和一个甚至更加小巧的陶瓷输出电容器。其他的必需元件仅为单个输入电容器和用于确定电流的设定电阻器 (图5)。具箝位二极管、电源开关以及具补偿功能的控制逻辑电路所有16个通道均被整合在LT3595较小的56引脚、5mm x 9mm QFN封装之中。


图5:一个用于从45V输入来驱动160个白光LED的16通道LED驱动器。PWM调光比为5000:1。

LT3595拥有92%的峰值效率 (在2MHz开关频率条件下),因而免除了增设外部散热装置的需要。


图6:图5所示的160-LED驱动器的效率高于92%。

LT3595 的PWM调光能力高达5000:1。图7示出了5000:1 PWM调光波形和一个外观非常方的LED电流波形。即使在接通时间仅为2μs的情况下,一个20mA LED电流仍然与100Hz PWM信号同步地接通和关断。降低PWM频率可以实现较高的PWM调光比,但100Hz频率能够确保不出现可见闪烁。


图7:图5所示电路的5000:1 PWM调光波形

所 有16个通道的满LED亮度均利用单个外部电阻器来设定。每个通道具有相同的编程LED电流 ─— 设定在10mA至50mA之间。各通道之间的LED电流准确度在8%以内。True Color PWM调光采用了一个减小的占空比,旨在提供准确的调光,而不使发射光的彩色发生任何偏移。固定频率、电流模式控制方案在一个很宽输入和输出电压以及电流 范围内提供了稳定的操作。对流过用于每个通道的内部检测电阻器和内部开关的LED电流的直接控制,以及用于每个通道的控制电路提供了适合LED驱动的卓越 恒定电流源调节性能。内部100mA电源开关和56引脚QFN封装的裸露散热衬垫提供了足以处理16个通道的功耗和发热量 (在50mA电流条件下) 的电源管理和热管理。

结论

由于LED照明应用在汽车和LCD HDTV中的普及速度空前提高,因此对高电流LED应用中的LED驱动器IC产生了许多非常特殊的性能要求。在汽车里,这些应用多种多样,从车前灯到内部 照明等不一而足。在HDTV中,LED提供了一种精细得多的局部调光法,从而极大地改善了图像质量。此外,在汽车和HDTV市场以外的众多商业和工业环境 中,LED的应用也非常普遍,它们同样具有大多数这些高性能要求。这些LED驱动器还必须能够提供恒定的电流 (以保持均匀的亮度,而不受输入电压或LED正向电压变化的影响)、必须实现高工作效率,并提供宽调光比。另外,这些应用还需要占板面积非常紧凑、且散热 效率很高的解决方案。面对汽车、HDTV以及众多其他LED设计要求,凌力尔特公司迎难而上,开发出了一个高电流LED驱动器产品系列。如今,照明系统设 计师拥有了一个适合其复杂照明设计的简易且现有的LED驱动器。

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