大尺寸液晶電視用LED背光源的設計與制作
劉敬偉,王 剛,馬 麗,張凱亮,張麗蕾,王慶江,萬麗芳
(京東方科技集團股份有限公司中央研究院,北京 100016,E2mail:liujingwei@boe.com.cn)
摘 要:設計和制作了一款66cm(26in)液晶電視用LED背光源。模擬出LED的光學分布,以此為基礎模擬出LED陣列的光強和顏色分布,得到適合的背光源厚度尺寸。在實際制作中,采用高效的驅動電路對LED陣列進行驅動,利用鋁制散熱片為背光源提供必須的散熱。測試的結果,在整體背光源功耗為150W時,中心亮度達到13390cd/m2,均勻度為84.1%,色彩還原性達到NTSC標準102%,遠遠超過CCFL背光源的70%。
關 鍵 詞:LED;背光源;液晶電視
1 引 言
由于液晶顯示屏本身并不發光,所以為液晶顯示器件提供所有光源的背光源扮演著十分重要的角色[1～2]。雖然,由于成本低廉、技術成熟等原因,冷陰極燈管(CCFL)仍將是未來幾年內液晶顯示器件(LCD)背光源絕對主要的光源。但人們也逐漸認識到CCFL本身存在的若干致命弱點,比如含有對人體有害的汞蒸汽,色彩還原性差等。因此,隨著環保意識的提高以及用戶對畫面質量越來越高的要求,出現了CCFL燈管被其他光源所取代的趨勢,這些替代者包括發光二極管(LED)、電極外置熒光燈(EEFL)、場致發光平面光源(ELFlatLamp)和有機電致發光(OLED)[3]等。其中具有環保、色彩還原性好、壽命長等優點的固體光源LED是最被看好的下一代綠色背光光源,被普遍認同為大勢所趨[4,5]。
與其他光源相比,LED背光源最顯著的優點是可以提供前所未有的色彩還原性。通過選擇適當波長的LED和與之相匹配的彩膜,LED背光源的色彩還原范圍可以達到美國國家電視系統委員會(NTSC)標準的105%甚至120%以上。相比較而言,傳統的陰極射線管(CRT)電視只有85%左右,CCFL背光源的液晶電視更是只有65%～75%。在畫質就是生命的顯示行業,具有更加鮮艷的色彩將是壓倒性的優勢。依傳統觀念而言,液晶顯示器尤其是液晶電視,由于色彩和響應速度不如CRT甚至PDP而屢遭詬病,液晶顯示器件可以通過瞬間背光閃爍和掃描技術[6],消除普通液晶顯示在顯示快速移動物體時出現的拖尾模糊現象,畫面質量將顯著提升,LED納秒量級的響應速度為上述技術的實現提供了堅實的保證。點陣式的LED背光源可以將整個屏幕分成若干區域,根據顯示的影像信號,單獨控制每個區域的亮度和顏色,所以影像暗的部分能夠做到更暗,亮的部分能夠更亮,可以獲得超過10000∶1的動態對比度,同時,這種LED背光源比通常用的背光源省電48%左右[7,8]。在使用壽命上,LED可以達到10萬小時以上,相當于每天看電視8h,可以看30多年。與CCFL內含有致命的汞蒸汽不同,LED是半導體固體光源,完全是一種理想的綠色光源。綜上所述,具有諸多不可比擬之優勢的LED背光源必將在不久的將來,成為LCD重要,甚至是主要的背光光源。
雖然LED背光源已然成為國際研究的熱點,但是在中國內地的研究才剛剛開始。在與背光源結合最為緊密的液晶面板廠家中,京東方成為中國內地第一個研究和開發出LED背光樣品的液晶面板廠家。研發的目標,就是希望在不久的將來能夠為業界提供帶LED背光源的液晶模組產品。本文設計和制作了一款66cm(26in)液晶電視用LED背光源。模擬出LED的光學分布,以此為基礎模擬出LED陣列的光強和顏色分布,得到適合的背光源厚度尺寸。在實際制作中,采用高效的驅動電路對LED陣列進行驅動,利用鋁制散熱片為背光源提供良好的散熱。在整體背光源功耗為150W時,中心亮度達到13390cd/m2,均勻度為84.1%,色彩還原性達到NTSC標準102%,遠遠超過CCFL背光源的70%。
2 設 計
本文以一款66cmLED背光源為目標進行設計。考慮到背光源所需要的亮度較大,使用LED的數目較多,而且需要大的散熱面積,所以采用直下式背光結構。圖1是直下式LED背光源示意圖,包括一個光學反射腔作為整體結構的支撐、和散熱片結合的LED陣列、由擴散板和光學膜組成的背光源出光面,最后和液晶面板構成液晶面板模組。
在設計LED背光源的時候,首先要做的就是對所選用的LED進行光學模擬,即根據LED的說明書,還原出LED的結構模型,再以逼近說明書上的光學分布為目標,確認各項物理(折射率、反射率等)參數。當然,這項工作最好在LED提供商的幫助下完成。本文采用經過特殊光學設計的大功率(～1W)LED作為背光光源。該LED的光學分布呈現如圖2所示的馬鞍形,頂部發射出的光經過特殊的光學設計后向四周發散,形成和垂直方向呈70°的光軸帶,大部分的光集中在光軸帶±20°左右的范圍內。由于背光源是一種均勻的面光源,相對于普通頂部發射LED,采用這種LED能夠更有效地混光和混色,不容易產生燈影光斑,能夠有效降低背光源厚度。為使各色LED發出的光能夠充分混合,將紅綠綠藍(RG2GB)4顆LED緊密排列在一起成為如圖3所示的一個單元。對于66cm背光源,共使用了40個上述單元,以5×8的矩陣進行排列。
LED所發出的光,需要一定的空間完成混色和混光,所以需要確定在保證光學特性的前提下背光源的最小厚度。以LED到擴散板的距離為變量,模擬了出光面的光學特性。不同距離對應的亮度均勻性如圖4所示。當距離達到40mm和50mm時,光基本散開,亮度均勻度分別達到89.2%和91.8%。為獲得90%以上的理論亮度均勻性,我們選擇45mm的距離。同樣,在該距離下,模擬結果顯示紅綠藍三色也混合均勻。
根據對色溫和亮度的計算,設計LED的電流為紅色235mA,綠色280mA,藍色為450mA。將5×8的LED單元陣列分成5×2的4個組,再將各組內每10個紅色LED、藍色LED和綠色LED進行串聯。為了高效穩定地驅動每串LED,實驗選用了美國國家半導體(NS)公司的LM3478作為驅動器,該芯片是專門為多個大功率LED的驅動而設計的芯片。該芯片為升壓控制,輸入電壓范圍為2.97～40V,外掛晶體管開關控制,開關頻率可調,輸出電流最大可達2A。由于容易產生EMI問題,所以選用與該芯片匹配的電感和電容非常重要。串聯LED驅動電路設計原理見圖5。
3 制 作
LED的安裝如圖6所示。為了獲得良好的散熱性能,將LED安裝在金屬基印刷電路板(MCPCB)上,然后將MCPCB固定在鋁制散熱片表面,為了MCPCB和散熱器表面良好的平面接觸,接觸面上均勻地涂敷上厚度小于0.1mm的導熱硅脂。硅脂的熱導率高達2.9W/(m?K)。
圖7是LED背光源的正(a)背(b)面內部結構圖。整個LED陣列分成4塊,分別安裝在4塊散熱片上。在LED陣列上方是一層抗高溫抗紫外的反射膜,上面挖有小孔使LED的發光面能夠完全探出。在背光源底部安裝有細錐形支柱來支撐出光面上的反射板,這些支撐可以有效地避免散光板因自身重力下凹而導致光場變形。整個內部結構的四壁都同樣貼有抗高溫和紫外的反射膜,這樣就形成一個各面反射的發射腔體。
4 結果與討論
圖8是LED背光源點亮之后,獲得的亮度高,顏色均勻性好的出光效果實拍圖。利用BM27進行標準13點測試后得到,中心亮度為13390cd/m2,亮度均勻性為84.1%,白色坐標為(0.27,0.24),為高冷色溫。此時背光源整體功耗為150W,其中LED陣列消耗138.5W,驅動電路額外消耗11.5W,驅動電路效率高達到92.3%。利用CCD得到整體色坐標分布的均方差值(du′v′)小于0.010,這說明制作的背光源色彩分布比較均勻。
加上液晶屏后,利用色彩分析儀計算得到液晶模組能夠達到的色彩還原范圍為NTSC102.3%,而帶CCFL背光的液晶模組只能達到NTSC70%左右的色彩還原性,如圖9所示。LED背光源大大提高了顯示器件的色彩還原性。透過屏幕后,液晶模組的中心亮度為710cd/m2,對比度為800∶1。如果中心亮度降為10000cd/m2,LED背光源整體功耗為112W,比CCFL背光源的90W左右略高一些。
LED的發光效率比CCFL低。RGBLED混合成白光后的發光效率只有32lm/W左右,而CCFL的發光效率可以達到60～70lm/W。兩者雖然相差近一倍,但由于LED高度的指向性可以獲得很高的利用率。相比之下,由于CCFL是四周發光型的,向底部發射的光很大一部分將被吸收掉而不能利用上。雖然目前LED的光效還遠不及CCFL,但是LED發展迅速,業界有著名的Haitz規律這樣描述,LED的效率幾乎每10年就提高20倍,而價格下降到原來的1/10。這樣,在2008年左右,LED的效率可能逼近CCFL,加上LED其他出色的性能,LED背光的市場將開始逐步打開。
如果只考察LED背光的色彩表現力,一般都可以達到NTSC120%甚至140%以上,但是由于液晶屏彩膜的限制,液晶模組的色彩還原性只有100%～105%左右,雖然已經遠遠超過其他形式的顯示器,但仍有很大的發展空間。進一步提高色彩表現力,一方面要求面板廠家選擇與LED光譜更加匹配的彩膜,另一方面就是直接使用LED作為圖像的最終顯示光源,基于場序彩色原理的無彩膜技術就是其中方法之一[9,10]。
不管采用何種光源,液晶顯示器的對比度一般只有800∶1左右,這主要是因為在液晶像素完全關閉的時候也仍然有漏光產生,尤其在暗室條件下的顯示效果很難令人滿意。
但一些基于LED背光的新技術可以間接地解決上述一些不足。LED本身是點光源,這對于需要面光源的背光源是不利的,但卻非常有利于實現區域亮度和色彩控制技術,以顯著提高對比度和降低功耗[7]。區域亮度和色彩調節就是把整個顯示區分成若干個部分,通過對視頻信號分析,計算出每個區域的輝度值和RGB的組分,對于不同的輝度和顏色的區域,提供不同輝度和顏色的背光。這樣就有效地降低了暗場時漏光的問題,得到更加黑的黑色,從而提高了對比度,并大大降低了功耗。香港應研院于2006年開發了一款基于上述技術的81cm(32in)電視,得到10000∶1以上的動態對比度和30%以上的功耗降低[7]。由于功耗的顯著降低,散熱影響也大大降低,可以最終省掉散熱片,減小背光源的厚度。區域的劃分可以根據需要來確定,一般最少是4個區域,最多則是RGBLED的組數,即對于每組RGB(或RGGB、RGGBR等)LED單元,都單獨進行亮度控制。分組越多,畫面質量越好,但計算量也越大,實現越復雜。
此外,我們制作的背光源厚度較厚,整體模組大于60mm(含散熱片)。這非常不利于液晶電視的薄型化。這主要是因為采用了大功率LED。采用大功率LED只需要較少數目的LED,所以排布較稀疏,需要混光混色的空間很大,導致背光源厚度增加。采用小功率(<0.3W)或者中功率(0.3～0.5W)的LED可以使背光源的厚度降到30mm以下,而且目前由于中小功率LED的光效要比大功率LED的大,所以很多廠家也在積極研發中小功率LED背光源。但是中小功率LED背光源需要采用上千顆以上的LED,將導致控制電路更加復雜和生產成本提高等問題。目前大功率LED的薄型化技術也在迅速發展,有公司采用導光板或輔助導光板技術可以將LED背光源厚度降到20mm以下[7,11],如果能夠借鑒類似小尺寸LED背光的V2Cut導光板技術,則可近省略掉至少一層價格昂貴的增亮膜[12]。此外,大功率LED的封裝成本和日后生產成本也相對較低。鑒于各種LED都有各自的特點,所以很多公司在兩類技術的研發上都有所投入。
5 結 語
制作了液晶電視用66cmLED背光源。中心亮度達到13390cd/m2,整體背光源功耗為150W時,均勻度為84.1%,色彩還原性達到NTSC標準102%,遠遠超過CCFL背光源的70%。在下一階段的開發工作中,將采用一些新技術來改善LED背光源的整體性能。我們相信,在不久的將來,技術成熟的LED背光源將真正能夠為千家萬戶帶來更加精彩的視覺享受。