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

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

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

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 背光照明模塊生產技術，本文將簡要介紹這些技術。 設計時可選擇白色或 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，盡管光源及其結構比較重要，但方案的總體尺寸和 能效更多得取決于所實現的驅動器電子器件和電源管理解決方案，對于調光功能來說，尤為如此。 目前有眾多廠家供應適合背光應用的高集成 LED 驅動器。 這里要重點介紹兩個專門為苛刻的汽車市場設計的器件：Allegro Microsystems 的 A8513 和 Linear Technology 的 LT3518。

耐應力模塊

LED 模塊構成各不相同，范圍覆蓋可隨時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），再到加入二次光學器件和熱管理功能的采用小外殼的復雜器件。 集成了驅動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計、液晶 LED 背光已成為標配。 這種技術曾經受限于相當小的顯示屏上，現在可以應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：汽車后座娛樂系統是堅固的 LED 背光液晶屏的主要應用。 照片：Continental。

在汽車應用中，耐機械應力和振動非常重要。 再一次證明，LED 技術表現出色。 堅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間，使得 LED 成為車載顯示和信息娛樂系統的不二之選。 有關 LED 背光照明在汽車顯示應用中的優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 發布的以下應用說明中，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 的監視器應用》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，設計人員應了解每一種類型的優缺點。 單色 LED 不太理想，因為需要更多空間進行有效的調色。 而在多色和白色 LED 模塊中，調色發生在封裝內，從而使設計更緊湊。

白色 LED 優勢在于貨源多，封裝類型和功率級別選擇范圍廣，且能夠相對簡單地采用低電壓驅動。 白色器件，如 OSRAM 的 Power TopLED 系列就是基于傳統的冷光轉換方式。 藍色二極管發出的光通過磷光體層轉換成黃光。 產生白光的精確色溫由藍光與所產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，建議采用多色 LED。 把多個不同顏色的（普通 RGB）裸芯片合并到單一模塊中，設計將更靈活，封裝結構將更緊湊，從而滿足嚴格的汽車市場要求（圖 3）。 當所有三個芯片同時使用適當的 RGB 強度（典型比率為 30:60:10）驅動時，就可產生白光。

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

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

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，直接背光照明結構就非常合適。 光線一般由光導管斜射或反射到面板背面。 光導管中內置的微透鏡有助于光線均勻分布。 光導管和角度偏轉面的配置可能有多種。 頂視和側視 LED 可以同時使用，具體取決于設計。

圖 5：顯示 LED、反射鏡和擴散器的直接背光照明方案原理結構

例如，17 寸液晶屏通常使用兩列五十個 RGB LED 模塊作為背光，這些模塊安裝在屏幕兩側，直接與光導管的上側和下側接觸。 OSRAM 的 MultiLED 系列中的典型實例是 LTRBGFSF-ABCB，這是一個六引線的 RGB 矩形模塊，具有 120° 視角和擴散棱鏡。 其光學效率一般為 45 lm/W，單個毫坎德拉額定值為 700 mcd（紅）、1350 mcd（綠）和 160 mcd（綠）。 隨著 LED 變得越越亮，未來設計所需的器件將更少。

SRAM 的 MultiLED 設計和封裝旨在用于汽車內飾應用，包括駕駛員儀表板顯示屏。

集成驅動器

汽車顯示屏背光照明應用需要高度集成的 LED 驅動器，特別是在較大屏幕 LCD 儀表組和駕駛員信息系統越來越普及時，尤為如此。 盡管驅動 LED 對背光照明來說是靈活的，但是，如果需要同時適應脈沖狀態工作和 PWM 調光，并非所有驅動器都符合 AEC-Q100 資質并滿足相應的汽車電壓和溫度額定值要求。 因此，也需要對驅動器進行甄選，以匹配 LED 數、每串模塊數和 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 就是一個適合的候選 LED 驅動器，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。 該器件設計成單輸出白色 LED 驅動器形式，將電流模式升壓轉換器與內部電源開關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 的升壓轉換器開關頻率。

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，增強了散熱效果。

安全特性（對于電壓可能變化、產生瞬態電壓可高達 40 V 的汽車應用來說屬基本要求）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、升壓開關或電感器短路、ISET 電阻器短路和 IC 過熱。 雙級電流限制功能可實現軟啟動，并可保護內部電流開關免受高電流過載導致的損害。

另一個選擇是來自 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部 2.3 A、45 V 開關的電流模式 DC/DC 轉換器，專用于驅動汽車和航空系統中顯示背光應用的 LED。 它同時結合了傳統的電壓環路和獨創的電流環路，可用作升壓、降壓和升降壓模式 LED 驅動器。 這樣，該器件就可以充當恒流或恒壓源。

可編程開關頻率允許對外部元件進行效率和元件尺寸優化。 開關頻率可以同步到外部時鐘信號，且 LED 電流可以使用 100 mV 感測電阻進行外部編程設定。 外部 PWM 輸入提供 3000:1 的“真彩 PWM”LED 調光，這對于汽車顯示器夜間運行來說是一個很有用的特性。 控制引腳進一步提供了 10:1 的調光比率。

總結

LED 對于顯示背光照明應用來說帶來的是生態（低功耗）和經濟上的優勢，同時提升了畫質，色彩飽和度更高、色彩渲染更出色（特別是在調光時）、顏色更一致。 集成 LED 模塊和緊湊的驅動器使得具有足夠高亮度的超薄設計得以成真。 依靠堅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成為一個切實可行、極具吸引力的解決方案。