引言
液晶屏自身并不發(fā)光,為了可以清楚地看到LED顯示屏的內(nèi)容,需要一定的白光背光源。背光源是存在于液晶顯示器內(nèi)部的一個光學組件,由光源和必要的光學輔助組件構(gòu)成。傳統(tǒng)的背光源采用的是冷陰極熒光燈(CCFL),色彩還原性差,含有對人體有害的汞蒸氣。LED背光源色彩還原性好、壽命長、不含汞、有利于環(huán)境保護。就驅(qū)動電路而言,傳統(tǒng)的CCFL背光驅(qū)動線路十分復雜,要求上千伏特的驅(qū)動電壓,利用專門的逆變器才能驅(qū)動起來。而LED可以低電壓工作,響應速度快,控制較為方便。近年來LED被逐漸引入到現(xiàn)有的液晶顯示技術(shù)中,背光源非常有可能成為下一個被LED壟斷的產(chǎn)業(yè)。LED背光源如果通過增加對比度、區(qū)域控制等手段,性能要遠遠優(yōu)于CCFL背光源。目前,LED背光源已經(jīng)在中小尺寸面板中普及,如手機、數(shù)碼相框等,隨著LED技術(shù)的發(fā)展和LED芯片的不斷成熟,LED液晶電視將可能逐步取代傳統(tǒng)的CCFL液晶電視。
背光源根據(jù)光源的位置不同分為直下式背光源和側(cè)光式背光源。直下式背光源,直接把LED光源放在出光面下面,光源發(fā)出的光經(jīng)過一段空間距離和擴散板的擴散和混合后,成為面光源發(fā)射出來,直下式背光源需要一定的混光距離。而側(cè)光式背光結(jié)構(gòu)對超薄化的模塊設(shè)計則更具優(yōu)越性,隨著“超薄風”的刮起,大尺寸超薄側(cè)光式LED背光源成為各大電視廠商及上游企業(yè)的研究熱點。
1 結(jié)構(gòu)設(shè)計
本文所設(shè)計的LED背光源是側(cè)光式超薄結(jié)構(gòu),整個結(jié)構(gòu)包括:LED燈條、驅(qū)動板、膜材、導光板、散熱塊、上框架、背板。背光源采用白光LED,整個結(jié)構(gòu)設(shè)計以Active Area的中心點為所有部件的設(shè)計中心,以液晶電視所用液晶屏的尺寸為前提,設(shè)計其它尺寸。綜合考慮電路設(shè)計及光學設(shè)計的要求,對結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。結(jié)構(gòu)設(shè)計先從UⅣOUT布局圖著手,表達整體機構(gòu)以及各部件相互之間的裝配關(guān)系,然后著手零件圖結(jié)構(gòu)設(shè)計。上框架采用分段式設(shè)計,在長度方向上分段,避免長度過長。燈條的出線端設(shè)置在背板的四個角處,減少繞線長度。
2 光學設(shè)計
背光模組的作用是把點光源發(fā)出的光通過漫反射使之成為面光源。為了得到合格的面光源,首先要選擇合適的LED,本設(shè)計采用的是白光雙芯片LED。通過預設(shè)白場光度指標,結(jié)合對液晶屏、光學膜等影響因素的研究分析,完成對整個背光源所需光通量的計算。根據(jù)計算的光通量,結(jié)合LED的光學特性計算出所需LED的顆數(shù)。表1所示為所選LED的電學及光學特性。
表1 LED電學及光學特性
為了提高背光源的亮度,膜材結(jié)構(gòu)搭配為:一層擴散片+一層BEF+一層DBEF。其中,擴散片的作用是借擴散物質(zhì)的折射與反射將光霧化,讓射出的光更加均勻:BEF的作用是將光線聚攏,使其垂直進入液晶模塊以提高輝度:DBEF是利用原先被傳統(tǒng)吸收型偏光片吸收的50%的光線來增加亮度。導光板網(wǎng)點直徑為0.54~1.55mm.圖1所示為導光板的部分網(wǎng)點分布圖。
圖1 導光板網(wǎng)點分布圖
3 電路設(shè)計
LED背光源電路設(shè)計主要包括燈條設(shè)計和驅(qū)動控制電路設(shè)計,圖2所示為整個電路部分的結(jié)構(gòu)框圖。
圖2 電路結(jié)構(gòu)框圖
3.1 燈條設(shè)計
光源采用雙芯片白光LED,燈條分布在背光源的四周。為了達到更好的電流均一性,燈條采用串并混聯(lián),實行兩并多串。為了取得更好的散熱效果,LED燈條采用鋁基板加工制作。整個系統(tǒng)輸入電壓為24V,此電壓由外部電源轉(zhuǎn)換器提供。
3.2 驅(qū)動控制電路設(shè)計
驅(qū)動芯片是三路峰值電流模式PWM控制器,通過閉環(huán)控制輸出電流提供高精度LED電流。該芯片包含三個峰值電流模式控制器,給IC提供反饋,以確保更高效率和更高精度。芯片上的柵極驅(qū)動器進行了優(yōu)化,用來驅(qū)動0.25A源電流或O.5A沉電流的邏輯電平FET,每個輸出電流可通過線性或PWM調(diào)光方法進行單獨調(diào)光。
該芯片的閉環(huán)系統(tǒng)能動態(tài)調(diào)節(jié)它的輸出電壓,以適應LED電流的線路和負載調(diào)整。單一封裝內(nèi)集成的三路驅(qū)動器保證了每串間有更好的電流匹配,同時降低了整個系統(tǒng)的芯片數(shù)量。具有40V線性穩(wěn)壓器,提供5V電源給lC供電,三個轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率由內(nèi)部振蕩器控制,三路有1200的相位差,以降低輸入電流波紋。高壓驅(qū)動,電流匹配度良好。LED串間電流精度為4-2%,支持線性和PWM調(diào)光。
圖3 PW_M_波形圖(D=75%)
3.3 散熱設(shè)計
由于LED的光效較低,工作時會產(chǎn)生大量的熱量,如果不解決散熱問題,會導致LED發(fā)光亮度的衰減和使用壽命的縮短。為了抑制LED產(chǎn)生的熱量影響背光模組的輝度和色度,就要對LED進行散熱設(shè)計。
為了達到更好的散熱效果,將LED陣列焊接在鋁基板上(MCPCB),鋁基板比普通的PCB(FR4材質(zhì)的PCB)散熱效果要好很多倍。在鋁基板下面,設(shè)計了長條形的散熱塊。在散熱塊和燈條之間貼敷導熱雙面膠,并用螺釘固定鋁基板和散熱塊。在背光源的四周熱量聚積地帶,貼敷帶保護膜的導熱片。為了降低熱阻,在LED焊盤上加導熱過孔。這樣,減少了PCB板垂直于熱流方向的截面積,從而減少了頂層和底層之間的熱阻而加強了LED燈熱量的傳導。最后,依靠電視機殼里的空氣對流將熱量散掉。
4 測試結(jié)果
本文所設(shè)計的液晶電視用超薄LED背光源為側(cè)光式結(jié)構(gòu),光源采用白光LED。圖4所示為組裝后的LED背光源,厚度為9.9mm。利用BM一7進行九點測試,中心輝度為5,500nit,亮度均齊性為82%,色彩還原性達到95%@CIE 1976。背光源整體功率為150W,其中LED功耗為135W,驅(qū)動電路效率達90%。背光系統(tǒng)的驅(qū)動電路屬于高壓驅(qū)動,電路簡單,電流一致性良好。
圖4 組裝后的背光源
5 結(jié)論
本文設(shè)計了一款大尺寸超薄液晶電視用LED背光源,中心亮度達到5,500nit,整體背光源功率為150W,亮度均齊度為82%。整機厚度為9.9mm,達到業(yè)內(nèi)領(lǐng)先水平。本文設(shè)計的背光源已通過信賴性測試,為量產(chǎn)打下了基礎(chǔ)。