Massor av lysdioder används för lysa upp TFT-skärmar i TV-apparater, datorer och telefoner. Tillväxten har varit explosiv. Men för att klara kraven i fordonstillämpningar ställs extra höga krav på drivkretsarna. Tony Armstrong, marknadsdirektör kraftprodukter hos Analog Devices går här igenom förutsättningarna.

För att upprätthålla denna imponerande tillväxt måste dock LEDar inte bara erbjuda bättre tillförlitlighet, lägre kraftförbrukning och mer kompakta format utan de måste även leda till förbättringar i fråga om kontrast och färgnoggrannhet.

För skärmar som utnyttjas i fordon, flyg och båtar måste tillförlitlighet, energiförbrukning, kontrast och färgnoggrannhet optimeras samtidigt som skärmarna utsätts för en mängd olika omgivningsljus, allt från kraftigt solljus till månfria nätter.

Dessa TFT-LCD-tillämpningar täcker allt från s k “infotainment”-system, mätarsystem och en rad olika instrumentskärmar. Att bakbelysa sådana skärmar med LEDar ger givetvis upphov till vissa unika konstruktionsproblem för LED-drivkretsar när skärmens läsbarhet måste optimeras för en mängd olika ljusförhållanden. Detta kräver LED-drivkretsar med mycket bred ljusregleringsförmåga som även klarar den elektriskt och fysiskt krävande fordonsmiljön. Självklart måste lösningarna ha låg profil och ett kompakt utförande och samtidigt göra hela systemet mer kostnadseffektivt.

Vad driver på LED-tillväxten i fordonsskärmar?
Lysdioder ger en rad fördelar jämfört med motsvarande glödlampor. De har tio gånger högre verkningsgrad jämfört med glödlampor och nästan dubbelt så hög som fluorescerande lampor, inklusive kallkatod-baserade fluorescerande lampor (CCFL). Därmed minskar den mängd elektrisk effekt som krävs för en given mängd utgående ljus (mätt i lumen per watt). När LEDar utvecklas vidare kommer deras effektivitet, eller förmåga att avge ljus från en elektrisk kraftkälla, bara att öka.

Dessutom ställer inte LED-belysning samma krav på belastnings- och avfallshantering som CCFL-lampornas giftiga kvicksilverångor, vilket passar vår miljömedvetna värld. Glödlampor måste dessutom vanligtvis bytas ut efter ungefär 1 000 timmars bruk, medan fluorescerande lampor kan fungera i upp till 10 000 timmar. Båda överglänsas dock rejält av LED-belysningens livslängd på över 100 000 timmar.

I flertalet tillämpningar möjliggör denna utökade driftstid att LEDar är permanent inbyggda i sluttillämpningen. Detta är särskilt viktigt för bakbelysning av fordonssystem, instrument och “infotainment”-paneler – som ofta är inbyggda i ett fordons instrumentbräda, eftersom de inte kommer att behöva bytas ut under bilens driftstid. LEDar är dessutom flera storleksordningar mindre och mer kompakta än deras motsvarigheter så LCD-paneler kan göras extremt tunna, vilket gör att de kräver minimalt utrymme i ett fordons interiör.

Genom att använda en konfiguration av röda, gröna och blåa lysdioder kan dessutom ett obegränsat antal färger erhållas. LEDar kan även ljusregleras och kan kopplas av och på mycket snabbare än det mänskliga ögat kan detektera det, vilket möjliggör väsentligt bättre bakbelysning av LCD-skärmar samtidigt med drastiskt bättre kontrastförhållanden och högre bildupplösning.

Hinder för användning i fordonstillämpningar
Ett av de främsta hindren som konstruktörer av belysningssystem till fordon ställs inför är ändå hur man ska kunna optimera alla egenskaper och fördelar som den senaste generationen av LEDar har att erbjuda.

Eftersom lysdioder i allmänhet kräver en noggrann och verkningsfull strömkälla och ett sätt att reglera ljuset måste en LED-drivkrets utformas att ta hänsyn till dessa krav under en rad olika driftsförhållanden. Deras kraftmatningslösningar måste dessutom vara mycket effektiva, tåliga och tillförlitliga samtidigt som de är mycket kompakta och kostnadseffektiva. Bakbelysning av fordonsbaserade “infotainment”- och instrument-TFT-LCDer hör troligen till de mest krävande tillämpningarna för drift av LEDar eftersom de utsätts för den stränga elektriska fordonsmiljön där de måste kompensera för en rad olika omgivande ljusförhållanden och måste passa i mycket små utrymmen. Och hela tiden måste de ha en attraktiv kostnadsstruktur.

Många framväxande fordonskonstruktioner utnyttjar en enda panel för att bakbelysa samtliga av förarens skärmar för olika mätinstrument. Instrumentbrädan delar ofta LED-bakbelysning med “infotainment”- systemet, vilket skapar en lättavläst allt-i-ett-baserad styrpanel. På liknande sätt har många fordon, inkluderande bilar, tåg och flygplan, även LCD-skärmar som underhåller passagerare i exempelvis baksäten med filmer, videospel och liknande. Historiskt sett har sådana skärmar utnyttjat CCFL-bakbelysning, men, det blir allt vanligare att dessa relativt stora lampkonstruktioner ersätts av ett antal små vita lysdioder för att ge mer exakt och justerbar bakbelysning liksom utökad brukstid.

Konstruktionsbehov för fordonsbaserad LED-belysning
För att tillse optimal prestanda och lång driftslivslängd behöver LEDar en effektiv drivkrets. Sådana drivkretsar måste kunna fungera från fordonens kraftbuss och även vara både kostnads- och utrymmeseffektiva. För att de ska bibehålla en lång driftslivslängd är det även viktigt att gränsvärden för ström och temperatur inte överskrids.

En av fordonsindustrins främsta utmaningar är att klara den elektriskt sett krävande miljö som finns i bilens kraftbuss. De främsta problemen är transientförhållanden, så kallad “lastdumpning” och kallstart.

Lastdumpning sker då batteriets kablar är bortkopplade medan generatorn fortfarande laddar batteriet. Detta kan hända om en batterikabel är lös eller går sönder medan bilen är igång. En sådan plötslig frånkoppling av batterikabeln kan skapa transienta spänningsspikar på upp till 40 V när generatorn försöker att fulladda ett batteri som saknas.

Undertryckning av stötström på generatorn ställer vanligtvis busspänningen till ungefär 36 V och absorberar merparten av stötströmmen; men DC/DC-omvandlare nedströms från generatorn utsätts också för dessa transienta spänningsspikar på mellan 36 V och 40 V. Omvandlarna förväntas klara detta och reglera utspänningen under transienthändelser. Det finns flera alternativa skyddskretsar, vanligtvis stötströmsskydd, som kan implementeras externt. Men de resulterar i extra kostnad, vikt och kräver utrymme.

Kallstart är ett förhållande som uppstår när en bils motor under en period utsätts för kyla eller minusgrader. Oljan i motorn blir extremt viskös och kräver att startmotorn levererar mer kraftmoment, vilket i sin tur drar mer ström från batteriet. Denna stora strömbelastning kan dra ned batteriet/primärbusspänningen under 4,0 V vid tändningen, varefter den normalt återgår till nominella 12 V.

En ny lösning på dessa problem är Analog Devices LT3599, som klarar av att både överleva och reglera en fast utspänning under båda dessa förhållanden. Kretsens inspänningsområde från 3 V till 30 V, med transienskydd till 40 V, gör att den passar utmärkt för fordonsmiljöer. Till och med när VIN är större än VUT, vilket kan hända under en 36 V transient, reglerar LT3599 den utspänning som behövs.
Eftersom flertalet LCD bakbelysningstillämpningar kräver en LED-effekt på mellan 10 och 15 W, har LT3599 utformats att klara detta. Komponenten kan höja fordonets busspänning (nominellt 12 V) till så mycket som 44 V för att driva upp till fyra parallella strängar, med vardera tio seriekopplade 100 mA LEDar. Fig 1 visar ett kretsschema där LT3599 driver fyra parallella strängar som vardera har tio 80 mA LEDar, som sammanlagt ger 12 W.

Fig 1. 12 W LED-baserad bakbelysningskrets med verkningsgrad på 90% som utnyttjar LT3599 (klicka för större bild)

LT3599 utnyttjar en adaptiv återkopplingsslinga, som justerar utspänningen något högre än den LED-sträng som har högst spänning. Detta minimerar den effekt som går förlorad när jämviktskretsen optimerar verkningsgraden. Fig 2 visar LT3599s verkningsgrad som kan vara så hög som 90%. Detta är viktigt eftersom det utesluter behovet av värmesänkning, vilket möjliggör ett mycket kompakt utförande med låg profil.

Lika viktigt för drift av LED-system är att ge noggrann strömpassning för att tillse att bakbelysningen har en jämn ljusstyrka över hela panelen. LT3599 är garanterad att leverera en LED-ström som varierar mindre än 2% över temperaturområdet -40 ˚C till 125 ˚C.

Strömpassning över temperaturen

Verkningsgrad mot LED-ström

Figur 2. LED-strömpassning och verkningsgrad för LT3599 i fig 1

LT3599 utnyttjar en “boost”-omvandlartopologi med fast frekvens och konstant ström. Dess interna 44 V, 2 A switch klarar att driva fyra strängar med upp till tio seriekopplade 100 mA LEDar. Dess switchfrekvens är programmerbar och synkroniserbar mellan 200 kHz och 2,5 MHz, vilket gör att den kan hålla switchfrekvensen ur AM-radiobandet och samtidigt minimera de externa komponenternas storlek. Dess utformning gör också att den kan köra mellan en och fyra strängar av lysdioder. Om färre strängar används kan varje sträng leverera ytterligare LED-ström. Varje sträng av lysdioder kan använda samma antal LEDar eller kan köras asymmetriskt med ett annat antal lysdioder per sträng.

LT3599 kan ljusreglera LEDar med hjälp av antingen True Color PWMTM-ljusreglering eller analog ljusreglering. True Color PWM erbjuder ljusreglering på så mycket som 3 000:1, vilket ofta krävs i fordonstillämpningar. Genom att lysdioderna PWM-regleras vid full ström sker ingen färgförändring av LED-ljuset och frekvensen är så hög att den inte uppfattas av det mänskliga ögat.

Analog ljusreglering erbjuder ett mycket enkelt sätt att åstadkomma regleringsförhållanden på upp till 20:1 genom att spänningsnivån varieras. Detta sätt att ljusreglera kommer att bero på variationer hos det omgivningsljus som LCD-panel utsätts för. LT3599 har även integrerade skyddsfunktioner som inkluderar skydd mot öppna och kortslutna kretsar.

Tony Armstrong
Marknadsdirektör, kraftprodukter
Analog Devices Inc.

Filed under: Fordonselektronik