用于机舱中的LCD和仪表板背光的LED驱动技术

LED照明已在航空电子领域得到广泛采用，几乎安装在所有新飞机设计内外的所有地方。它正在越来越多地在现有飞机上进行改装。合并LED的速度较慢的一个领域是驾驶舱，但随着仪表显示器的LED背光变得越来越普遍，现在正在发生变化。本文将概述为什么驾驶舱采用LED的速度缓慢，以及如何克服一致的调光和颜色稳定性等技术挑战。

图1：先进的航空电子系统，如霍尼韦尔Primus Epic即将安装在下一代巴西航空工业公司的E-Jet上，正在使用更大的液晶显示器，其先进的图形需要高质量的LED背光。

将检查用于照明仪表组的LED的典型示例，包括Lumex QuasarBrite™设备。 LED背光驱动器是背光质量的关键。适合航空电子行业严格要求的示例包括Atmel和Semtech的驱动程序。意法半导体（STMicroelectronics）和德州仪器（Texas Instruments）的评估套件也值得纳入其中。

Tick all the boxes

飞机行业并未慢慢认识和利用LED照明技术引人注目的美学和性能特征。 LED的特性满足了它们对低功耗，小尺寸，高可靠性和机械稳定性的关键要求，为混合物增加了长寿命，灵活的形状因子和改善的光质量。 LED勾选所有方框。轻型，休闲飞机，公务机，商用飞机和许多军用飞机的新设计现在“事实上”包括内部和外部的LED照明，从机舱标牌到着陆灯。毫不奇怪，航空电子行业，使用得很好延长产品寿命，特别擅长了解降低生命周期成本的好处。因此，在许多其他照明市场中阻碍LED采用的较高单位成本和进入成本的传统障碍并未真正成为这一因素。

现有飞机设计正在重新设计而非重新设计，并且大元素被重新用于节省新认证的成本和时间，对于改变LED照明技术存在一些自然的阻力。然而，在许多领域，例如机舱照明，LED正在改装。一些军事项目保留了现有的照明技术，通常是因为预计平台的使用时间不够长，或者每年的飞行小时数不足以恢复设备和认证的前期成本。

驾驶舱问题但是，飞机的一个区域比飞行甲板更能抵抗LED的吸引力超过大多数时间。在某种程度上，这是由于重复使用经过试验，测试和认证的仪器单元和布局。在另一部分中，正是由于与LED技术变化相关的技术挑战。调光是至关重要的，因为明亮的阳光会变成夜晚，并且驾驶舱内各种各样的屏幕都会持续调光。在驾驶舱内整合一致的调光方案所需的努力和投资并非易事颜色稳定性是另一个需要注意的因素。多年来，驾驶舱仪表显示的颜色发生了很大变化。几十年前，红色驾驶舱照明受到青睐，因为它帮助飞行员保持夜视。今天，红灯只能用来表示危险。即使黄色/橙色照明也仅限于警报状态指示。今天的大多数驾驶舱和传奇照明都是白色的（6500到8000 K的冷色或蓝白色）用于信息面板和显示器，绿色用于正常状态指示。用于背光的白光LED通常通过应用组合来创建在蓝色LED管芯上的彩色磷光体，通常是红色和黄色。芯片波长和彩色荧光粉配方的组合会产生不同的白色调，范围从1800 K到5500 K以及更高。

图2：美国航空公司波音777的驾驶舱 - 300。用于复杂图形和视频数据的大幅面多色显示器正变得越来越普遍，需要谨慎处理背光和调光。但是，较大幅面的LCD通常是多色的，并且多色背光是合适的。 RGB背光消除了对单色LED所需的颜色混合区域的需要，尽管通常需要稍微复杂的驱动威廉希尔官方网站 。通过混合，典型地，64％绿色，8％蓝色和28％红色，可以产生白光。虽然LED技术正在改进，但已经注意到不同的颜色设备以不同的速率老化，这可以使颜色变得更好随着时间的推移稳定难以维持。一些LED在较高温度下表现出轻微的颜色变化，因为磷光体的效率会下降。虽然已注意到红色LED的光通量明显减少并且可能需要进行补偿，但人眼并不总是能够察觉到这一点。另外，为了使问题进一步复杂化，尽管LED变暗时的色温变化可能很小，但这可能并不总是令人满意的。飞行器可用于传统电致发光或荧光（CCFL）背光技术调光所产生的效果。

仪表板设计人员在转向LED时的早期担忧是LED发射器的圆锥形状，与白炽灯的球形相比它们通常取代的灯。这可能意味着面板的较小区域被点亮，除非LED缩回到前面板后面。一些早期设备还在照明区域的中心投射了一个黑点。

过时是一个主要的缺点，尽管这会影响飞机设计的许多技术方面。一方面，飞机仪表设计师热衷于看到快速发展的发展，使LED非常适合他们的应用。另一方面，他们认识到，与许多不成熟的技术一样，设备选择和可用性也在迅速变化。然而，军事和航空航天客户需要持续供应和支持10到20年。

克服障碍因此，制造商需要时间来证明LED适合替代驾驶舱应用中使用的各种技术。其中一个更明显的解决方案是装箱，现在意味着可以在更高的温度下测试设备的颜色稳定性。由几家制造商开发的另一种解决方案是能够以模仿白炽灯或卤素灯的方式调暗LED。由于背光应用需要尽可能宽的角度，至少120°，因此出现了更薄的广角LED。

LED驱动器被证明是背光仪表面板和显示器的关键组件。基于PWM（脉冲宽度调制）的驱动器通常用于随时间和变化的电流条件提供色彩平衡。 Osram Opto Semiconductor的应用笔记¹精确地解释了它的工作原理以及所需的器件（微控制器，PWM驱动器，光电晶体管/RGB传感器等）。

然而，随着技术的进步，LED照明的基本原理变得更加有力。用于大型显示器，控制面板，仪表组甚至单个照明开关的LED背光越来越普遍。 LED现在通常比仪器本身使用寿命更长，但情况并非总是如此。较少的热量和眩光对更舒适和更疲劳的环境做出了显着贡献。较小的尺寸，特别是深度，可以使显示器更薄，使驾驶舱设计师在布局方面具有更大的灵活性。

商用飞机的抬头显示器引导系统的开发，例如罗克韦尔柯林斯公司在波音757中安装的/767客机，只有超薄LED背光液晶显示器才有可能。 （参见下面的图3和上面的图1。）

图3：这架波音767驾驶舱显示了绿色屏幕的信息，白色背光开关以及多色显示屏。作为夜间进场的一致调光至关重要。

显示尺寸是一项复杂的业务。一方面，新的大幅面显示器可能需要比他们更换的原始设备更多的面板空间（除非他们取代基于CRT的显示器）。然而，这些新显示器更灵活，可以提供比其前辈更多的信息，并且一个单元可以取代几个旧显示器。

尽管驾驶舱内的LED启动缓慢，但是飞行甲板上的LED背光仪器的改造市场是现在是一个成长的企业利用新仪器功能的优势以及大幅改进的航班信息显示，正在鼓励运营商升级其飞机驾驶舱，并通过相对适度的投资延长其使用寿命。一些较小的飞机可能会受限于可安装多少大型显示器，但这只会产生对较小版本的主流航空电子仪表显示器的需求。同时，新仪器正在兴起。所谓的“NextGen”航空电子应用包括合成视觉系统（SVS），自动相关监视广播（ADS-B）交通系统，高分辨率地形丰富的地图，机场地面和出租车地图，进近图和上行图形天气描写。在提供附加功能的同时，他们需要更大，更高分辨率的屏幕，以清晰和逻辑地显示复杂的信息。有效地显示和背光，这些信息可以带来更强的态势感知，从而提高安全性。

直接方法

有效的背光是关键。众所周知，驾驶舱显示单元的质量很大程度上取决于背光单元的质量。 LED，白色和/或RGB的选择以及直接或间接背光方案的选择可以对背光质量产生重大影响。

根据欧司朗光电半导体的有用应用笔记²，直接背光是优选用于具有高亮度，中等尺寸和有限空间特性的模块。它给出了一个10.4英寸TFT显示屏的例子，配备336个白色PowerTOLLED®设备，亮度为600到1000 cd/m²，对振动不敏感，寿命超过10，000小时。包括反射器和PCB在内的整个模块的高度仅为20 mm。

Lumex采用了不同的LED背光方法，其QuantumBrite系列采用柔性LED面板。它们采用薄型，超薄型，厚度仅为0.125 mm，而传统COB（板上芯片）封装器件为5 mm，边缘照明技术为2至3 mm。声称耐用且防阴影，亮度方面的性能可与侧光式设备相媲美，但并不总是达到COB背光的水平。

该公司坚持认为，亮度水平足以应对视觉挑战性应用，包括显示屏背光，开关和仪表板照明以及飞机机舱。然而，它的主要优点是能够安装在弯曲表面上，并包括开关或其他部件的切口。它可与其他LED，LCD，光管和其他平板电脑组件集成。

虽然QuantumBrite技术可在客户指定的解决方案中使用，但Lumex还单独提供QuantumBrite模块中使用的QuasarBrite系列RGB LED。该器件声称是最小的器件，采用紧凑型0404封装，尺寸仅为1 x 1 x 0.25 mm。 QuasarBrite 0404 RGB LED设计用于受限制的空间，用于背光LCD和开关，以及其他应用。

标准器件提供30 mcd红色，40 mcd绿色和20 mcd蓝色，正向电压为1.95 V ，分别为2.85 V和2.73 V. LED的工作温度范围为-40至85°C，视角为120°，坚固耐用，已经应用于装甲军事运输中的仪表板照明等应用。

LED驱动器设备和模块的选择可用于背光应用，选择取决于许多因素，包括串联连接的LED数量，串数，威廉希尔官方网站 板空间和热管理问题。考虑到温度变化和老化，一些驱动器更擅长应对颜色稳定性和持续调光等挑战。

Atmel提供广泛的多串LED驱动器产品组合，用于背光应用。诸如“效率优化器”技术，灵活的调光选项以及各种功率级别的可扩展性等特性确保这些器件适用于工业，军事和航空电子显示器的直接和侧光背光方案。这些设备对驾驶舱设计人员具有潜在的兴趣，可为本地和全球调光，电源管理，信号调理和智能接口提供解决方案。效率优化器使多个驱动器能够通信以控制总体工作电压，从而使LED保持电流调节。这与片上可编程性相结合，使设计人员能够补偿LED老化并提供热控制。

数字控制反馈回路管理LED电源，并调节LED电流，每个LED串最高30 mA，最多12个每串LED。 LED调光通过外部PWM信号或内部8位PWM引擎实现。 LED串电流的模拟调光可用于环境光传感器（ALS）和/或使用热敏电阻传感器进行温度管理，无需外部补偿。

LCD面板的典型Atmel LED驱动器是MSL1064，它包含一个电流模式PWM升压调节器，内置50 V开关和4.75至36 V输入电压范围。它能够以30 mA（最高48 V）驱动6个LED灯串，每个驱动器可以提供高达72个LED。

图4：Atmel的MSL106X LED驱动器，带有数字PWM亮度控制。

Semtech采取了类似的方法。 SC4541是为各种背光应用设计的扩展驱动器系列中的一个示例。它是一个完全集成的高压升压（升压）和降压（降压）LED驱动器。输入电压范围为2.9至22 V，输出电压高达25 V.该器件能够驱动多达7个串联的白光LED。其他功能包括电流模式控制，直接PWM调光和集成肖特基整流器。

该系列中的另一款器件是SC4509，被描述为高度集成的升压型DC/DC转换器，针对白光LED和OLED背光较小的仪器显示器。它能够驱动多达5个串联LED，输入电压范围为2.7至10 V，输出电压为20 V.它的PWM频率恒定为1.2 MHz。

德州仪器也采用了并且测试了使用PWM调光的方法，因为它允许灯的色温保持恒定，而不管其强度如何。这是通过保持LED电流的幅度恒定，但周期性地打开和关闭LED驱动器，从而改变LED的平均电流和光强度来实现的。 TI开发了一种参考设计，可自动调整显示亮度，以适应不断变化的环境光线条件。该设计基于PowerWise LM3423 LED驱动器以及5个串联的LED，输入电压为4.5至12 V.LED电流标称值为100 mA，输出电压为15至20 V.开发了一款评估板，展示LM3423与升压电流调节器配合使用，可在10至26 V的直流输入电压下以700 mA的电流驱动多达12个LED.LM3423BS2LYE/NOPB允许设计人员尝试PWM调光，过压保护和输入欠压锁定。

STMicroelectronics拥有STEVAL-ILL020V1演示板，用于基于LED7706器件的LCD面板背光。该器件采用高效单片升压转换器和六个受控电流发生器，可管理高达36 V的输出电压，相当于10个串联的白光LED。有用的是，发电机可以在外部编程，以吸收高达30 mA的电流，并可以通过PWM信号调暗。其他功能包括内部功率MOSFET，5 V LDC，用于高达36 V的器件供电，以及恒定频率峰值电流模式控制。

图5：ST的LED背光示范板。远程荧光粉未来

规划未来，航空电子行业正密切关注有机OLED和远程荧光背光等新技术。 OLED技术有望使显示器更薄。然而，据报道，飞机工业的观察者不确定OLED的老化特性。与此同时，许多制造商正在试验远程荧光粉技术，该技术使用蓝色LED，混合室和荧光涂层二次光学器件，与LED光源物理分离。

欧洲正在研究远程荧光粉显示器，他们相信有可能在系统简单性方面带来实质性好处，使用颜色转换技术来提高质量，可靠性和功效。

在欧洲第7届RTD框架计划的运输主题下，提出的概念是目前的LED背光源，基于RGB或白光LED。

通过使用蓝色泵浦光源（LED）和外部荧光荧光粉层，研究人员预计蓝光将转换为非常稳定的定制白光。其中一个挑战是将荧光荧光粉调谐到LCD的滤色器。该项目将监测该装置随时间的光学行为，并评估远程荧光背光概念对直接和侧光应用的适用性，特别是在航空电子驾驶舱显示器中。