汽車應(yīng)用的超薄LED背光照明模塊介紹

LED 模塊正成為固態(tài)照明行業(yè)的集成電路。 LED 模塊化革命正以微控制器并入大量通用外設(shè)同樣的方式演進(jìn)，幾乎所有應(yīng)用中的 LED 都越來越多地以模塊形式售出。 多種優(yōu)勢再次緊隨 IC 市場步伐，具體包括更快、更容易的設(shè)計(jì)、更少元件和更小體積帶來的更低總成本。 在照明應(yīng)用中，出色的能效和流明性能也能以多種形式實(shí)現(xiàn)。

有趣的是，在固態(tài)照明市場，小型化并非總是主要優(yōu)勢，但在顯示背光照明應(yīng)用領(lǐng)域卻一定是主要因素，而快速增長的汽車 LCD 領(lǐng)域則是特別苛刻的應(yīng)用細(xì)分。 新型汽車中的屏幕數(shù)量在不斷增加，應(yīng)用包括 GPS、儀表板、信息組和后座椅娛樂。

圖 1：車載駕駛員信息系統(tǒng)和 GPS 地圖應(yīng)用正不斷增加 LED 背光 LCD。 照片：Magneti Marelli 電子系統(tǒng)。

眾多制造商為滿足如高亮度、色彩保真度等要求，而采用了各種超薄 LED 背光照明模塊生產(chǎn)技術(shù)，本文將簡要介紹這些技術(shù)。 設(shè)計(jì)時(shí)可選擇白色或 RGB LED 模塊、直接或間接背光照明方式，以及使用反射鏡盒和光導(dǎo)管。 本文將以 OSRAM Opto Semiconductors 的 PowerTopLED 和 MultiLED LED 模塊為例。

而且，盡管光源及其結(jié)構(gòu)比較重要，但方案的總體尺寸和 能效更多得取決于所實(shí)現(xiàn)的驅(qū)動(dòng)器電子器件和電源管理解決方案，對于調(diào)光功能來說，尤為如此。 目前有眾多廠家供應(yīng)適合背光應(yīng)用的高集成 LED 驅(qū)動(dòng)器。 這里要重點(diǎn)介紹兩個(gè)專門為苛刻的汽車市場設(shè)計(jì)的器件：Allegro Microsystems 的 A8513 和 Linear Technology 的 LT3518。

耐應(yīng)力模塊

LED 模塊構(gòu)成各不相同，范圍覆蓋可隨時(shí)焊接的單或雙裸芯片封裝，到安裝在小型 PCB 或基底上封裝好的 LED（如 COB 板載芯片 LED），再到加入二次光學(xué)器件和熱管理功能的采用小外殼的復(fù)雜器件。 集成了驅(qū)動(dòng)器電子元件的模塊大部分被專門定義成光引擎。

隨著 LED 能效的不斷增加，更高流明輸出和集成封裝設(shè)計(jì)、液晶 LED 背光已成為標(biāo)配。 這種技術(shù)曾經(jīng)受限于相當(dāng)小的顯示屏上，現(xiàn)在可以應(yīng)用到較大的顯示面板，包括大幅面電視屏幕。 增加顯示尺寸和信息密度需要更高的性能，特別是在色彩飽和度和顏色一致性方面——這正是 LED 勝過冷陰極燈管 （CCFL） 光源之處，傳統(tǒng)上人們使用 CCFL 光源作為大屏幕顯示的背光。

圖 2：汽車后座娛樂系統(tǒng)是堅(jiān)固的 LED 背光液晶屏的主要應(yīng)用。 照片：Continental。

在汽車應(yīng)用中，耐機(jī)械應(yīng)力和振動(dòng)非常重要。 再一次證明，LED 技術(shù)表現(xiàn)出色。 堅(jiān)固性加上長使用壽命、工作在低壓條件下更簡單的控制電路和更短的切換時(shí)間，使得 LED 成為車載顯示和信息娛樂系統(tǒng)的不二之選。 有關(guān) LED 背光照明在汽車顯示應(yīng)用中的優(yōu)勢和要求可以在一篇較早的文章2 中找到。

在最近由 OSRAM Opto Semiconductor 發(fā)布的以下應(yīng)用說明中，也可以找到液晶 LED 背光照明方面的一些有用指示：《LED——新型顯示背光照明光源》和《 LED 顯示背光照明——使用 6 引線 MultiLED 的監(jiān)視器應(yīng)用》1

白就是亮

OSRAM 建議，對于有單色背光要求的顯示器來說，無論是單色、多色還是白色 LED 都同等適用。 但是對于背光照明的多色顯示器，設(shè)計(jì)人員應(yīng)了解每一種類型的優(yōu)缺點(diǎn)。 單色 LED 不太理想，因?yàn)樾枰嗫臻g進(jìn)行有效的調(diào)色。 而在多色和白色 LED 模塊中，調(diào)色發(fā)生在封裝內(nèi)，從而使設(shè)計(jì)更緊湊。

白色 LED 優(yōu)勢在于貨源多，封裝類型和功率級(jí)別選擇范圍廣，且能夠相對簡單地采用低電壓驅(qū)動(dòng)。 白色器件，如 OSRAM 的 Power TopLED 系列就是基于傳統(tǒng)的冷光轉(zhuǎn)換方式。 藍(lán)色二極管發(fā)出的光通過磷光體層轉(zhuǎn)換成黃光。 產(chǎn)生白光的精確色溫由藍(lán)光與所產(chǎn)生的黃光的比率決定，其本身由磷光體層的厚度和成分決定。 OSRAM 推薦將其 Power TopLED 系列 LED 用于汽車應(yīng)用，如儀表板顯示屏、地圖照明和后座椅娛樂顯示屏。

但是對彩色顯示屏背光來說，特別是需要大的色彩飽和度時(shí)，建議采用多色 LED。 把多個(gè)不同顏色的（普通 RGB）裸芯片合并到單一模塊中，設(shè)計(jì)將更靈活，封裝結(jié)構(gòu)將更緊湊，從而滿足嚴(yán)格的汽車市場要求（圖 3）。 當(dāng)所有三個(gè)芯片同時(shí)使用適當(dāng)?shù)?RGB 強(qiáng)度（典型比率為 30:60:10）驅(qū)動(dòng)時(shí)，就可產(chǎn)生白光。

圖 3：MultiLED 系列中的 OSRAM 6 引線 RGB LED 模塊之一。

對于中型高亮度、空間受限型應(yīng)用 （》500 cd/m2），首選方案是直接背光照明。 LED 在空間上布局成規(guī)則圖案，采用反射鏡盒結(jié)構(gòu)，以在整個(gè)顯示面板產(chǎn)生同質(zhì)的流明。 反射鏡盒的深度取決于 LED 的空間以及二極管的發(fā)射角。 直接背光照明可以針對各種顯示屏尺寸和亮度級(jí)別按比例調(diào)節(jié)。

圖 4：使用 RGB LED 模塊的 LED 背光照明方案一角

對于沒必要采用高亮度的大尺寸顯示屏，直接背光照明結(jié)構(gòu)就非常合適。 光線一般由光導(dǎo)管斜射或反射到面板背面。 光導(dǎo)管中內(nèi)置的微透鏡有助于光線均勻分布。 光導(dǎo)管和角度偏轉(zhuǎn)面的配置可能有多種。 頂視和側(cè)視 LED 可以同時(shí)使用，具體取決于設(shè)計(jì)。

圖 5：顯示 LED、反射鏡和擴(kuò)散器的直接背光照明方案原理結(jié)構(gòu)

例如，17 寸液晶屏通常使用兩列五十個(gè) RGB LED 模塊作為背光，這些模塊安裝在屏幕兩側(cè)，直接與光導(dǎo)管的上側(cè)和下側(cè)接觸。 OSRAM 的 MultiLED 系列中的典型實(shí)例是 LTRBGFSF-ABCB，這是一個(gè)六引線的 RGB 矩形模塊，具有 120° 視角和擴(kuò)散棱鏡。 其光學(xué)效率一般為 45 lm/W，單個(gè)毫坎德拉額定值為 700 mcd（紅）、1350 mcd（綠）和 160 mcd（綠）。 隨著 LED 變得越越亮，未來設(shè)計(jì)所需的器件將更少。

SRAM 的 MultiLED 設(shè)計(jì)和封裝旨在用于汽車內(nèi)飾應(yīng)用，包括駕駛員儀表板顯示屏。

集成驅(qū)動(dòng)器

汽車顯示屏背光照明應(yīng)用需要高度集成的 LED 驅(qū)動(dòng)器，特別是在較大屏幕 LCD 儀表組和駕駛員信息系統(tǒng)越來越普及時(shí)，尤為如此。 盡管驅(qū)動(dòng) LED 對背光照明來說是靈活的，但是，如果需要同時(shí)適應(yīng)脈沖狀態(tài)工作和 PWM 調(diào)光，并非所有驅(qū)動(dòng)器都符合 AEC-Q100 資質(zhì)并滿足相應(yīng)的汽車電壓和溫度額定值要求。 因此，也需要對驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行甄選，以匹配 LED 數(shù)、每串模塊數(shù)和 LED 電流。 LED 電流本身是隨著所需配色和混色要求變化而變化的。

A8513 就是一個(gè)適合的候選 LED 驅(qū)動(dòng)器，它來自Allegro Microsystems，專門針對汽車信息娛樂、儀表組、中控顯示面板背光系統(tǒng)。 該器件設(shè)計(jì)成單輸出白色 LED 驅(qū)動(dòng)器形式，將電流模式升壓轉(zhuǎn)換器與內(nèi)部電源開關(guān)和電流阱集成在一起。 它采用 4.5 至 40 V 的單電源工作，具有 2 MHz 的升壓轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率。

重要的是，這些器件采用微小型 10 引腳 MSOP 或 16 引腳 TSSOP 封裝。 兩種封裝均采用外露熱焊盤，增強(qiáng)了散熱效果。

安全特性（對于電壓可能變化、產(chǎn)生瞬態(tài)電壓可高達(dá) 40 V 的汽車應(yīng)用來說屬基本要求）包括防止輸出短路和過壓、二極管開路或短路、LED 引腳開路或短路、升壓開關(guān)或電感器短路、ISET 電阻器短路和 IC 過熱。 雙級(jí)電流限制功能可實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，并可保護(hù)內(nèi)部電流開關(guān)免受高電流過載導(dǎo)致的損害。

另一個(gè)選擇是來自 Linear Technology 的 LT3518，這也是一款高度集成的 16 引腳 TSSOP 或 16 引腳 QFN （4 x 4 mm） 封裝器件。 該器件是一種帶有內(nèi)部 2.3 A、45 V 開關(guān)的電流模式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，專用于驅(qū)動(dòng)汽車和航空系統(tǒng)中顯示背光應(yīng)用的 LED。 它同時(shí)結(jié)合了傳統(tǒng)的電壓環(huán)路和獨(dú)創(chuàng)的電流環(huán)路，可用作升壓、降壓和升降壓模式 LED 驅(qū)動(dòng)器。 這樣，該器件就可以充當(dāng)恒流或恒壓源。

可編程開關(guān)頻率允許對外部元件進(jìn)行效率和元件尺寸優(yōu)化。 開關(guān)頻率可以同步到外部時(shí)鐘信號(hào)，且 LED 電流可以使用 100 mV 感測電阻進(jìn)行外部編程設(shè)定。 外部 PWM 輸入提供 3000:1 的“真彩 PWM”LED 調(diào)光，這對于汽車顯示器夜間運(yùn)行來說是一個(gè)很有用的特性。 控制引腳進(jìn)一步提供了 10:1 的調(diào)光比率。

總結(jié)

LED 對于顯示背光照明應(yīng)用來說帶來的是生態(tài)（低功耗）和經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢，同時(shí)提升了畫質(zhì)，色彩飽和度更高、色彩渲染更出色（特別是在調(diào)光時(shí)）、顏色更一致。 集成 LED 模塊和緊湊的驅(qū)動(dòng)器使得具有足夠高亮度的超薄設(shè)計(jì)得以成真。 依靠堅(jiān)固的封裝和低壓工作模式，大屏幕 LED 背光汽車駕駛員信息顯示系統(tǒng)成為一個(gè)切實(shí)可行、極具吸引力的解決方案。