新型汽车显示屏背光源的LED驱动器解决方案

汽车液晶显示器 (LCD) 使用多串高亮度 LED 进行背光照明。多串 LED 驱动器是一种有效的电源解决方案，但它们的使用带来了一些与电磁干扰 (EMI)、可调光性、安全性、可靠性、效率和尺寸相关的设计挑战。

汽车中的环境光照条件从强烈的阳光到完全黑暗的情况不等，这意味着 LED 背光必须提供较宽的调光范围，以确保全天的眼睛舒适度，同时避免可见的亮度变化(闪烁)。汽车电子设备中的低 EMI 对避免干扰车辆中的多个射频接收器至关重要。LED 驱动器必须高效以产生最少的热量，防止显示器过热并提高整体系统的可靠性。随着每个显示器的尺寸和分辨率随着时间的推移而增加，所需的电子设备变得更加复杂，并且必须在重量和体积上都受到限制。

本文讨论了汽车背光源的性能要求以及设计它们时遇到的主要挑战。将推出克服这些障碍的 LED 驱动器解决方案。

图 1：汽车 LCD 显示屏。

汽车 LED 背光显示器

背光提供由 LCD 中的液晶调制的光源，用于图像显示。汽车中最大的显示器是仪表盘显示器和中央堆栈或中央信息显示器。它们的对角线尺寸可达 12 英寸，并且在每一代新一代汽车中的使用都在增长。它们的背光通常由四或六个交错的 LED 二极管串实现，每串有七到九个二极管，如图2 所示。如果一个 LED 出现故障，它将禁用整个字符串。使用交错的字符串，如果一个字符串出现，整个屏幕的整体亮度会均匀降低。

图 2：侧光式交错式 LED 背光。

LED 驱动器

多串 LED 驱动器(图 3)由一个开关稳压器和多个电流吸收器组成。为 LED 供电的开关稳压器必须满足特定要求。输出电压优化对于最小化功耗和将威廉希尔官方网站 温度保持在可接受的水平至关重要。它必须在电池提供的整个电压范围内运行，并且能够承受“负载突降”电压瞬变。电流幅度必须非常准确，因为它控制着 LED 颜色。

图 3：升压 LED 背光。

理想情况下，LED 驱动器应具有支持多种配置以实现不同功能的灵活架构。图 3 显示了升压配置，但我们也应该考虑其他配置。如果串中的二极管数量较少，则可以使用单端初级电感转换器 (SEPIC) 拓扑。例如，针对电池电压的两个或三个 LED(7 V 或 10.5 V)可以从低于 6 V(冷启动)到 16 V 不等。支持不同架构的单个控制器具有明显的规模经济和易于重用的优势。

降低 EMI

扩频 (SS) 调制通常是满足 EMI 标准所必需的。图 4 (显示了没有 SS 的设备)和图 5 (显示了有 SS 的设备)说明了扩频的效果。在图 5中，SS 通过在更宽的频带上“扩展”噪声功率来降低谐波峰值能量。在本例中，开关频率为 400 kHz，低于 AM 频段，电磁 (EM) 噪声降低高于 10 dB。

图 4：没有扩频的设备。

图 5：扩频设备。

在选择稳压器的开关频率时，选择低于或高于 AM 频带的频率是有利的。这避免了开关频率的峰值落在允许的电磁辐射较低的 AM 波段。

相移

相移(图 6)是一种技术，通过该技术，电流吸收输出以交错的方式打开和关闭，从而减少从开关转换器汲取的峰值电流。使用相移可降低频率高于 1 MHz 的 EMI。在启用相移和六个灯串的情况下，LED 灯串可以打开/关闭并交错 60°。因此，输出电流 (I LED1-6 ) 边沿不重叠(恰好在 16.6667% 处除外)，导致每次转换期间释放的 EM 能量峰值较低。占空比 T ON /T = 16.6667 对应于 60° 的 T ON 。换句话说，如果 T ON的宽度 是 1/6 th 在周期 T 中，相移为 60°，最终得到对齐的边缘。

图 6：相移时序图。

图 7 显示了 80% 调光占空比和 200Hz 调光频率(5ms 周期)的相移效果。黑色曲线显示 8-dB 到 9-dB 的 EM 噪声通过相移降低。

图 7：相移 EM 光谱。

输出频率完全取决于(输入)DIM 频率，通常在 100 Hz 到 1,000 Hz 的范围内。

混合调光

背光调光是通过降低 LED 电流或使用脉冲宽度调制 (PWM) 斩断恒定 LED 电流来实现的。对 LED 电流进行时间分片会降低灯的亮度，而不会影响其颜色。PWM 调光频率必须高于 100 Hz 才能被人眼检测为闪烁。然而，由于频繁的大电流转换和开关损耗，在高亮度(大电流)下使用 PWM 调光会引入高 EM 噪声。另一方面，LED 非线性限制了低亮度下电流传输的准确性。

在混合调光模式下(图 8)，外部 LED 通过首先降低其电流幅度来调光。在交叉电平，调光转换为 PWM，LED 电流被斩波。这降低了仅电流变化的亮度范围内的 EMI。

图 8：混合调光。

LED 背光实现

例如，MAX20446 是一款带升压控制器的六通道背光驱动器，适用于汽车显示器。每个集成电流输出吸收高达 130-mA LED 电流。该器件接受 4.5V 至 36V 的宽输入电压范围，并可承受直接的汽车负载突降事件。

内部电流模式开关 DC/DC 控制器支持升压或 SEPIC 拓扑，并在 400kHz 至 2.2MHz 频率范围内工作。串的集成扩频和相移调光有助于降低 EMI。

自适应输出电压控制方案可最大限度地减少 LED 电流吸收路径中的功耗。图 9 显示了器件效率与竞争 IC 的对比。

图 9：效率优势。

该器件具有 I 2 C 控制的 PWM 调光和混合调光功能，可选择在 DIM 引脚提供外部 PWM 信号。在任何一种情况下，最小脉冲宽度都是 500 ns。因此，200 Hz 时的最大 PWM 调光比为 5 ms/500 ns = 10,000。电流降低调光有四个级别(50%、25%、12.5% 和 6.25%)。凭借 10,000 PWM 调光比和 6.25% (16x) 模拟，可获得的最大调光比达到惊人的 160,000:1。

小型 24 引脚 TQFN 封装有助于将 PCB 尺寸减小到 1,094 mm 2，比竞争解决方案提高 42%，这也降低了成本。

结论

LED 背光照明提出了与 EMI、可调光性、可靠性、效率和尺寸相关的若干设计挑战。MAX20446 六通道背光 LED 驱动器提供扩频和相移以实现低 EMI、AM 无线电频段以外的可选工作频率以及通过 I 2 C 接口实现前所未有的混合调光水平。高效率提高了系统可靠性，而小尺寸降低了 PCB 成本。

审核编辑：汤梓红