LED背光模組的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(gè)光學(xué)組件，由光源和必要的光學(xué)輔助組件構(gòu)成。LED背光源如果通過(guò)增加對(duì)比度、區(qū)域控制等手段，性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jī)、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(guò)一段空間距離和擴(kuò)散板的擴(kuò)散和混合后，成為面光源發(fā)射出來(lái)，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(duì)超薄化的模塊設(shè)計(jì)則更具優(yōu)越性，隨著“超薄風(fēng)”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(diǎn)。

　　1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　本文所設(shè)計(jì)的LED背光源是側(cè)光式超薄結(jié)構(gòu)，整個(gè)結(jié)構(gòu)包括：LED燈條、驅(qū)動(dòng)板、膜材、導(dǎo)光板、散熱塊、上框架、背板。背光源采用白光LED，整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以Active Area的中心點(diǎn)為所有部件的設(shè)計(jì)中心，以液晶電視所用液晶屏的尺寸為前提，設(shè)計(jì)其它尺寸。綜合考慮電路設(shè)計(jì)及光學(xué)設(shè)計(jì)的要求，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)先從UⅣOUT布局圖著手，表達(dá)整體機(jī)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(jì)。上框架采用分段式設(shè)計(jì)，在長(zhǎng)度方向上分段，避免長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)。燈條的出線端設(shè)置在背板的四個(gè)角處，減少繞線長(zhǎng)度。

　　2 光學(xué)設(shè)計(jì)

　　背光模組的作用是把點(diǎn)光源發(fā)出的光通過(guò)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(jì)采用的是白光雙芯片LED。通過(guò)預(yù)設(shè)白場(chǎng)光度指標(biāo)，結(jié)合對(duì)液晶屏、光學(xué)膜等影響因素的研究分析，完成對(duì)整個(gè)背光源所需光通量的計(jì)算。根據(jù)計(jì)算的光通量，結(jié)合LED的光學(xué)特性計(jì)算出所需LED的顆數(shù)。表1所示為所選LED的電學(xué)及光學(xué)特性。

　　表1 LED電學(xué)及光學(xué)特性

　　為了提高背光源的亮度，膜材結(jié)構(gòu)搭配為：一層擴(kuò)散片+一層BEF+一層DBEF。其中，擴(kuò)散片的作用是借擴(kuò)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(jìn)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(lái)增加亮度。導(dǎo)光板網(wǎng)點(diǎn)直徑為0.54～1.55mm.圖1所示為導(dǎo)光板的部分網(wǎng)點(diǎn)分布圖。

　　圖1 導(dǎo)光板網(wǎng)點(diǎn)分布圖

　　3 電路設(shè)計(jì)

　　LED背光源電路設(shè)計(jì)主要包括燈條設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)，圖2所示為整個(gè)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(jì)

　　光源采用雙芯片白光LED，燈條分布在背光源的四周。為了達(dá)到更好的電流均一性，燈條采用串并混聯(lián)，實(shí)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(gè)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(dòng)控制電路設(shè)計(jì)

　　驅(qū)動(dòng)芯片是三路峰值電流模式PWM控制器，通過(guò)閉環(huán)控制輸出電流提供高精度LED電流。該芯片包含三個(gè)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(dòng)器進(jìn)行了優(yōu)化，用來(lái)驅(qū)動(dòng)0.25A源電流或O.5A沉電流的邏輯電平FET，每個(gè)輸出電流可通過(guò)線性或PWM調(diào)光方法進(jìn)行單獨(dú)調(diào)光。

　　該芯片的閉環(huán)系統(tǒng)能動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)它的輸出電壓，以適應(yīng)LED電流的線路和負(fù)載調(diào)整。單一封裝內(nèi)集成的三路驅(qū)動(dòng)器保證了每串間有更好的電流匹配，同時(shí)降低了整個(gè)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(gè)轉(zhuǎn)換器的開(kāi)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(dòng)，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

　　3.3 散熱設(shè)計(jì)

　　由于LED的光效較低，工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，如果不解決散熱問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)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(duì)LED進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)。

　　為了達(dá)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(jì)了長(zhǎng)條形的散熱塊。在散熱塊和燈條之間貼敷導(dǎo)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(hù)膜的導(dǎo)熱片。為了降低熱阻，在LED焊盤(pán)上加導(dǎo)熱過(guò)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(qiáng)了LED燈熱量的傳導(dǎo)。最后，依靠電視機(jī)殼里的空氣對(duì)流將熱量散掉。

　　4 測(cè)試結(jié)果

　　本文所設(shè)計(jì)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(jìn)行九點(diǎn)測(cè)試，中心輝度為5，500nit，亮度均齊性為82%，色彩還原性達(dá)到95%@CIE 1976。背光源整體功率為150W，其中LED功耗為135W，驅(qū)動(dòng)電路效率達(dá)90%。背光系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路屬于高壓驅(qū)動(dòng)，電路簡(jiǎn)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(jì)了一款大尺寸超薄液晶電視用LED背光源，中心亮度達(dá)到5，500nit，整體背光源功率為150W，亮度均齊度為82%。整機(jī)厚度為9.9mm，達(dá)到業(yè)內(nèi)領(lǐng)先水平。本文設(shè)計(jì)的背光源已通過(guò)信賴(lài)性測(cè)試，為量產(chǎn)打下了基礎(chǔ)。