背光源實(shí)際方案及達(dá)到的技術(shù)效果。并通過(guò)對(duì)一款47in LED背光源的設(shè)計(jì)和制作。進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。測(cè)試結(jié)果為中心亮度11,230nits、整體功耗178W 、均勻度96.26%、色彩還原性達(dá)到NTSC標(biāo)準(zhǔn)的128.15%.遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了CCFL背光源的70%.
引 言
液晶顯示器主要由LCD(液晶面板)和背光源組成。因?yàn)長(zhǎng)CD本身不發(fā)光,所以L(fǎng)CD需要通過(guò)外部光源實(shí)現(xiàn)透射或者反射顯示。現(xiàn)有的LCD大多數(shù)是帶有背光源的透射型器件,背光源的發(fā)光特性將直接影響到LCD顯示器件的畫(huà)面品質(zhì),因此,背光源是液晶顯示器非常重要的組成部件。
價(jià)格低廉,技術(shù)成熟的CCFL(冷陰極燈光管)仍是現(xiàn)有液晶顯示器件背光源的主要光源。但LED(發(fā)光二極管)作為顯示器件應(yīng)用的領(lǐng)域也越來(lái)越廣,尤其是在液晶電視的功能越來(lái)越強(qiáng),結(jié)構(gòu)越來(lái)越美觀的形勢(shì)下,LED應(yīng)用于液晶電視的各個(gè)部分,并在迅速的更新,高亮度、高品質(zhì)、多功能是目前新產(chǎn)品的一個(gè)主要目的。
LED背光源目前大致可以分為直下式和側(cè)光式兩種。直下式是在液晶顯示器的整個(gè)背面全部設(shè)計(jì)LED燈:側(cè)光式是在液晶顯示器的邊緣設(shè)計(jì)LED燈。一般情況下,在30in以上的大尺寸液晶電視中應(yīng)用直下式背光源,30in以下則可用側(cè)光式背光源。
本文所設(shè)計(jì)的直下式LED背光源,尺寸為47in,內(nèi)容涉及了背光源結(jié)構(gòu)和電路設(shè)計(jì),包括對(duì)LED燈的排布進(jìn)行設(shè)計(jì),這些基于電路板來(lái)實(shí)現(xiàn)。同時(shí),電路板的尺寸、形狀、元器件安排則根據(jù)背光源的結(jié)構(gòu)來(lái)確定。安裝完電路板之后,再在上面蓋上所需的光學(xué)膜材,并安裝各種構(gòu)件,以組裝成一個(gè)完整的背光源。
1 與CCFL技術(shù)的對(duì)比分析
1.1 CCFL的特點(diǎn)
CCFL是填充了惰性氣體的密封玻璃管,當(dāng)在管上加高電壓時(shí),氣體電離產(chǎn)生紫外(UV)光,UV光激勵(lì)內(nèi)部磷光粉涂層,產(chǎn)生可見(jiàn)光。
CCFL具有的特點(diǎn)包括白光源、低成本、長(zhǎng)壽命(大于25,000小時(shí))、高電壓驅(qū)動(dòng)、含有有毒氣體汞。
目前,以CCFL作為背光源是液晶電視的主流。但是CCFL存在一個(gè)本質(zhì)的缺點(diǎn),即能夠達(dá)到的色域(即電視機(jī)的色彩表現(xiàn)范圍)較小,普通的CCFL一般只能夠達(dá)到NTSC(美國(guó)國(guó)家電視系統(tǒng)委員會(huì))色域標(biāo)準(zhǔn)的72% ,而且它含有汞這種有毒氣體,不符合綠色環(huán)保的要求。
1.2 LED的特點(diǎn)
LED作為新的發(fā)光源有很多優(yōu)點(diǎn),例如節(jié)能、環(huán)保、尺寸小、反應(yīng)快速、壽命長(zhǎng)等。
LED作為背光源最顯著的優(yōu)點(diǎn)是可以提供前所未有的色彩還原性,通過(guò)選擇合適短波長(zhǎng)的LED和與之相配的彩膜,LED背光源的色彩還原范圍可以達(dá)到美國(guó)國(guó)家電視系統(tǒng)委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)的105% ,甚至可以達(dá)到1 20% 以上。在畫(huà)質(zhì)上,LED背光源顯示得更加鮮艷和明亮。
但是LED也有一些缺點(diǎn),首先是價(jià)格,在大尺寸范圍內(nèi),LED背光源的價(jià)格是CCFL背光源的3~5倍左右:其次是發(fā)光效率,目前商用的LED發(fā)光效率最高的約為60~801m/W ,而CCFL的發(fā)光效率約為80~1001m/W ;最后就是散熱,對(duì)于大尺寸的背光源來(lái)說(shuō),LED工作時(shí)會(huì)散發(fā)出大量的熱。
不過(guò)隨著技術(shù)的發(fā)展,LED的不足正在逐步改善:
1)發(fā)光效率。由于CCFL是圓柱形,它所發(fā)出的光是無(wú)方向性的。當(dāng)它放在LCD屏幕下方時(shí),盡管采用半圓形反光鏡,仍然有相當(dāng)多的一部分光被浪費(fèi)掉了。而LED通常采用側(cè)光輻射,它的光能比較有效地被利用。因此從總體來(lái)看,它的效率仍然比CCFL要高,而且LED的發(fā)光效率還在逐年提高;2)動(dòng)態(tài)背光技術(shù)的提出,不僅解決了散熱問(wèn)題,而且還得到了亮度均勻、降低功耗等一系列的好處。
2 LED背光源的設(shè)計(jì)
本文設(shè)計(jì)了一臺(tái)47in的LED背光源。由于背光源所需要的亮度較大,使用的LED數(shù)目很多,所以采用直下式背光源結(jié)構(gòu)。
在進(jìn)行LED背光源設(shè)計(jì)的時(shí)候,首先要做的就是對(duì)LED進(jìn)行選擇,針對(duì)液晶屏上使用的彩膜選擇適合的LED,再進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)采用的是小功率、RGB三色的LED。
如圖1所示,電路板上由LED燈組、連接器、電路芯片、安裝孔組成。其中每個(gè)LED燈組是由R、G、B三顆不同顏色的LED燈組成,LED燈組為一個(gè)發(fā)光單元,如圖2所示。
圖1 LED燈條(1.電路板:2.綠色LED;3.紅色LED;4.藍(lán)色LED;5.連接器;6.電路芯片;7.安裝孔)
圖2 LED 燈組
由于背光源是一種均勻的面光源,采用LED作為發(fā)光器件,就必須計(jì)算好LED之間的距離,即圖2中表示出的d ,這樣才能夠更有效地混光、混色,不產(chǎn)生光斑。本設(shè)計(jì)是采用RBG三顆LED燈,呈三角形分布,d1=6mm,對(duì)于47in的背光源,共使用了1,008個(gè)這樣的單元,以42×24矩陣。
根據(jù)色溫和亮度的計(jì)算,設(shè)計(jì)LED的電流為紅色23mA、綠色55mA、藍(lán)色40mA.每個(gè)單元進(jìn)行單獨(dú)驅(qū)動(dòng),采用恒流驅(qū)動(dòng)方式,驅(qū)動(dòng)芯片采用德州儀器(T1)的TLC5941。
由原理圖3可以看出,電源電路給TCL5941芯片提供電源的同時(shí)給LED燈組提供點(diǎn)亮電壓??刂菩盘?hào)給TCL5941提供控制信號(hào),TCL5941根據(jù)接收到的控制信號(hào)的要求對(duì)LED的亮度進(jìn)行控制。
圖3 驅(qū)動(dòng)電路原理圖
具體的電路圖如圖4、5、6所示,這里需要說(shuō)明的是,所有的圖紙都是用Altium Designer6軟件繪制。
圖4 電源電路圖
圖5 TCL5941電路圖
圖6 控制電路圖
3 制 作
電路板安裝在背光源的鋁背板上,安裝情況如圖7所示。在電路板上鋪上底反板,底反板的顏色為白色,有利于反光。
圖7 電路板的整體安裝
連接器是LED用來(lái)和背面的電路板進(jìn)行電路連接的,它的管腳根據(jù)LED單元來(lái)確定。電路板的材料可以根據(jù)散熱要求制定,為了更好的散熱,圖中電路飯采用的是鋁基電路板,電路板的形狀根據(jù)安裝要求沒(méi)計(jì),顏色采用白色,利于LED混光。
在電路板上面覆蓋光學(xué)膜材,再固定上框架。其中電路芯片一部分在LED燈的電路板邊緣,一部分左背板的后面。電路板上的連接器用來(lái)與外面的驅(qū)動(dòng)芯片相連。具體結(jié)構(gòu)如圖8的結(jié)構(gòu)剖面圖所示。
圖8 背光源的整體結(jié)構(gòu)圖
4 結(jié)果與測(cè)試
LED點(diǎn)亮后得到了高亮度、效果好的一個(gè)背光原,效果實(shí)拍對(duì)比如圖9所示。
圖9 (左)點(diǎn)亮的背光源,(右)未點(diǎn)亮的背光源。
加上液晶屏之后與CCFL背光源的測(cè)試效果如圖10所示。
圖10 (左)LED 背光源,(右)CCFL背光源。
采用9點(diǎn)測(cè)試,測(cè)試儀器為BM-7.如圖11、表1、圖12所示。
圖11 9點(diǎn)測(cè)試。
表1 背光源光學(xué)測(cè)試結(jié)果
圖12 通過(guò)液晶屏的色彩還原性測(cè)試結(jié)果。
通過(guò)測(cè)試結(jié)果可以看出, 中心亮度達(dá)到11,230nits,均勻性達(dá)到90%以上,具體為96.26%.
還原性達(dá)到了128%以上,由于液晶屏表面彩膜的限制,液晶模組的色彩還原性只有10O~105%左右,要想進(jìn)一步提高色彩表現(xiàn)力,一方面可以選擇匹配的彩膜,另一方面就是用LED作為圖像的最后總顯示光源,另外,基于場(chǎng)序彩色原理的無(wú)彩膜技術(shù)也是方法之一。
5 結(jié)論
所做的47in LED背光源達(dá)到了中心亮度11,230nits、整體功耗178W、均勻度96.26% 、色彩還原性128.15% ,具有很高的性能。LED背光源看上去好像沒(méi)有什么太復(fù)雜的技術(shù),只要把LED點(diǎn)亮就可以,但真正應(yīng)用到液晶電視中就涉及到很多非常復(fù)雜的技術(shù)。要研究出適合量產(chǎn)的大尺寸背光源,需要液晶面板廠(chǎng)家、背光源廠(chǎng)家、電視機(jī)廠(chǎng)家的共同合作。