液晶電視的LED背光

龍鼎微電子公司 茅于海

DisplaySearch的數(shù)據(jù)顯示， 2006年CRT的產(chǎn)能估計超過2.5億個，2010年將遠低于1.5億個。市場調研公司iSuppli同樣預計平板顯示器將越來越普及，特別表現(xiàn)在電視領域。公司預計2009年LCD在電視市場中的出貨量比例將達到48%，而CRT則只占42%。 而據(jù)中國賽迪公司預測，2007年中國的平板電視產(chǎn)品就將超過非平板電視產(chǎn)品，而到了2010年，非平板電視就只剩下9.1%.


2006－2010年中國平板電視市場銷售量預測


現(xiàn)在發(fā)展的趨勢已經(jīng)很明顯，液晶電視將會成為大屏幕的平板電視的主角。和等離子體電視相比，其優(yōu)勢也是很明顯的。下面是賽迪公司在2007，01的預測。



2006年中國生產(chǎn)了2000萬臺液晶電視，其中7成以上用于出口，國內銷售了380萬臺。而且平板電視的尺寸越來越大，現(xiàn)在的主流尺寸是32寸，占銷售總量的二分之一。今后主流很快就會變成37”、40”。

家用電視的這種趨勢也潛伏了一個問題，就是液晶電視機的耗電越來越大。40”液晶電視機的耗電平均為220W－250W，其耗電主要是背光系統(tǒng)的耗電，還有就是音頻功率放大器的耗電。

液晶電視的CCFL背光

可以說到目前為止，絕大多數(shù)的液晶電視機仍然采用CCFL（冷陰極熒光管）作為背光。


圖一. 液晶電視機的CCFL背光系統(tǒng)

采用CCFL作為背光的最主要的優(yōu)點是發(fā)光效率高。但是，因為它含汞對環(huán)境造成破壞，所以已經(jīng)被歐盟明文禁止。歐盟的RoHS規(guī)定從2006年7月1日開始禁止含汞的CCFL進口，如果一定要進口就必須繳納10美元的有害物質處理費。而且用CCFL作為彩電的背光，在彩色的表現(xiàn)能力方面也顯出明顯的不足。因為CCFL實際上是用電子轟擊水銀蒸汽而產(chǎn)生的紫外線再激勵涂在管壁上的熒光質而產(chǎn)生白光。它的光譜和真正的白光（太陽光）相去甚遠。只能和液晶屏里的濾色片勉強匹配。圖二表明了CCFL的光譜和紅綠藍三色LED的光譜和濾色片匹配的情況。


圖二. CCFL和紅綠藍LED的光譜和濾色片匹配的比較

正因為這個原因，采用CCFL背光做成的液晶電視機的色彩表現(xiàn)能力遠比CRT電視機差。這可以從圖三色域三角形定量看出。


圖三. 色域三角形表明采用CCFL背光的液晶電視只能顯示NTSC標準的76％色彩

圖中NTSC三角形實際上是CRT彩電屏幕上所涂覆的三種紅綠藍熒光粉的色域，而CCFL背光是圖中黑色三角形的三個頂點實際上是圖二中三個光譜峰值的位置。顯然它所能顯示的色彩要遠遠小于NTSC標準。通常只有76％的NTSC三角形的面積。所以大多數(shù)液晶電視的色彩沒有CRT彩電那么絢麗多彩。這實際上是由CCFL背光所造成的，和液晶本身沒有什么關系。只要改變背光光源的光譜就可以克服這個問題。

CCFL還有很多其它問題和缺點，例如當采用PWM對其進行調光時，因為它的氣體放電不可能很快關斷，所以就要采用比較低的PWM開關頻率（30－200Hz），這就會使得它在表現(xiàn)動態(tài)的畫面時產(chǎn)生跳動。又譬如它所能實現(xiàn)的對比度有限，通常在1000:1左右。它的壽命相對較低，約為3萬小時左右，使用時間長以后就會變黃，使得彩色表現(xiàn)更差。還有它需要高壓供電，當升壓升到600伏時，會產(chǎn)生電磁波干擾；它是一根玻璃管，經(jīng)不起振動和沖擊，…。

CCFL剩下的主要優(yōu)點就是發(fā)光效率比較高，成本比較低，技術相對成熟。

用白色LED作為液晶電視背光

LED早就在小尺寸LCD屏幕中作為背光，例如手機、PDA、PMP、GPS等1.5”-7”大小的屏幕。而現(xiàn)在它的小尺寸屏幕的市場已經(jīng)正在被OLED所蠶食。而它又逐漸向更大尺寸屏幕發(fā)展，去蠶食本來是CCFL的市場。例如筆記本電腦的LCD背光，已經(jīng)開始逐漸被LED所取代。在這些小屏幕的應用中，大多數(shù)直接采用白色LED作為背光。

LED相對于CCFL當然有很多顯著的優(yōu)點，例如無汞、壽命長、亮度調節(jié)范圍大，對比度大，動態(tài)畫面連續(xù)感強等。

LED相對于CCFL的最大缺點是發(fā)光效率低，CCFL通常在80－100流明/瓦，而LED的發(fā)光效率只有30－60流明/瓦。然而由于CCFL是圓柱形，它所發(fā)出的光是無方向性的。當它放在LCD屏幕下方時，盡管采用半圓形反光鏡，可以認為仍然有相當多的一部分光被浪費掉了。而LED通常采用側光輻射，所以它的光可以比較有效地利用。


圖四. CCFL背光有很大一部分光被浪費掉

所以，雖然LED的發(fā)光效率比較低，但是它所發(fā)出的光線被有效地利用，所以總體來說，它的效率還比CCFL要高。目前，WLED背光已經(jīng)開始應用到筆記本電腦中去，在筆記本電腦中，至少需要用40顆以上的WLED。最早使用WLED背光的是Sony的VAIO TX型筆記本，它的結構和CCFL結構的比較如圖五所示。它的厚度只有CCFL背光的一半，而重量也減輕了26％。


圖五. 采用WLED背光的筆記本電腦和CCFL背光系統(tǒng)的比較

更重要的是，采用LED以后還更為省電。臺灣的奇美電子展出了一款14.1寸的WLED背光屏，其總耗電量不到2W，而采用CCFL的同樣尺寸液晶屏，其耗電量為3W。從而可以提高筆記本電腦的電池續(xù)航能力。

然而用于液晶彩色電視的背光還是有更多的要求，最重要的是它的色彩表現(xiàn)能力。白光LED并不是理想的白光，因為通常的白光背光LED是由藍光LED和黃光熒光粉合成。其光譜（圖六中實線）離純白光（圖六中虛線）相去甚遠。

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圖六. 藍光黃光混合的光譜（實線）和白光光譜（虛線）的差別

所以，這種白色LED作為背光只能得到80％NTSC色域，相對于CCFL背光只有很小的改進。所以用在筆記本電腦背光還是可以的，但是如果要用到液晶彩電就還是比較欠缺的。

為了得到非常接近天然白光光譜的LED背光，就必須采用紅綠藍三種顏色的LED來合成白光。

用紅綠藍三色混成白光

我們知道，由紅綠藍三種色彩就可以組合成白光。其比例如下：


由其中可見，要構成白光，所需要的綠光的亮度要最亮，其次是紅光，藍光只要很少就可以了。這也是為什么通常需要兩顆綠光LED的原因。

圖七表明了采用RGB三色LED作為背光源的結構示意圖。背光板的散熱是一個很重要的問題，尤其是在目前LED的發(fā)光效率還不是很高的時候，通常需要采用幾百個LED。其所散發(fā)的熱量是很可觀的。圖中表現(xiàn)出空氣是怎樣流過所有LED以帶出它們的熱量。


圖七 采用RGGB三色LED作為背光源的結構示意圖

彩電的LED背光也可以采用側光照射的方法。Luminus公司最近開發(fā)出了一種稱之為PhlatLight的LED芯片，它把RGGB四個芯片組合在一起，構成一個發(fā)光單元。然后采用GLT公司的側光導光板把光線均勻地散布到整個屏幕上去（圖八）

圖八. 采用PhlatLight的RGGB LED模塊的側光系統(tǒng)

據(jù)說采用這個側光導光系統(tǒng)以后，可以把原來需要幾百個LED的背光源減少到只要12個，其亮度可達8500 cd/m2，厚度只有15 mm，功耗也減少了20％。

采用紅綠藍三色LED作為背光時，其光譜和原來LCD屏幕中的彩色濾色片的透光光譜特性是非常匹配的（見圖二）。所以它的色彩表現(xiàn)能力就比CCFL和白色LED要改進很多（見圖三）。通?？梢猿^NTSC的色域范圍，達到110％以上?？梢赃@樣說，當人們第一次看到采用紅綠藍LED背光的液晶電視以后，無一不為其所表現(xiàn)的絢麗多彩而驚嘆。這才徹底改變了人們對液晶彩色電視的看法。

總結以上所述，用WLED背光相對于和CCFL背光比較如下表所示：



2004年8月9日，Sony公司在東京推出了采用LED背光的液晶電視機QUALIA005。然而由于早期的LED背光只是簡單地把紅、綠、藍三種顏色的LED混成白光來代替CCFL?？墒撬某杀靖摺r格貴，Sony QUALIA 46”要賣7.7萬元人民幣，40”的也要賣5.8萬元人民幣。而且它的耗電大， Sony QUALIA 46”耗電550W；40”耗電470W，為同樣尺寸CCFL背光290W的1.6倍。顯然這種LED背光是不可能被市場所接受的。

用場順序方法除去濾色片

目前所有的液晶電視機都必須采用濾色片，以便從白光中分離出紅綠藍三色。自從有了RGB三色的LED作為背光以后,這種濾色片似乎成了多此一舉。何必先把RGB合成白光，再把白光分解成RGB三色？但是想要直接用RGB的LED來取代濾色片看上去好像很簡單，其實是不可能的。因為濾色片是把每一個象素都分成三種不同顏色的子象素，如果直接用三種顏色的LED來取代濾色片，就必須采用小到和子象素尺寸一樣大的LED來照射每一個子象素，才不至于紅光照到了綠光的子象素上。這樣，LED的個數(shù)就要幾百萬個之多。為了維持象素數(shù)不變,唯一的方法就是重復使用這些象素,也就是采用時分復用制。這時就只要順序地發(fā)射出紅光、綠光、藍光，同時控制每個象素的薄膜晶體管（TFT），使其相應地按照這個象素在這種顏色時所應當具有的的強度來開啟液晶光閥。但是要能夠順序地發(fā)出紅、綠、藍三種顏色，而還能夠形成一個彩色的視頻圖象就必須利用人眼的視覺殘留作用。只要這三種顏色順序重復的周期小于人眼的視覺殘留時間，就可以在人們的大腦中形成一個彩色的圖象。這個視覺殘留的時間實際上也就是電視的場頻的周期，在PAL制中為五十分之一秒。這也就要求在五十分之一秒的時間內必須完成紅、綠、藍三個圖象的顯示。所以這種方式也稱之為“場順序”體制，也有人稱之為“色順序”體制。它的工作時序如圖九所示一個視頻場


圖九. 場順序的工作時序

所以場順序實際上就是讓液晶屏順序地發(fā)出三種不同顏色的圖象，然后靠人腦來合成彩色圖象。從人眼睛感受到的效果來看是完全一樣的。然而在硬件實現(xiàn)上就產(chǎn)生了極大的差異。

首先，這種方法省去了彩色濾色片，而濾色片是光能的主要吸收者，它要損失光能70％以上。圖十表明了光能從光源出發(fā)以后所受到的損失。


圖十. 從背光源出發(fā)的光能的損失

拿掉濾色片以后，不但免除了濾色片的光能損失，而且還可以省掉濾色片的成本。濾色片的成本在總成本中占19％，是相當可觀的一部分（見圖十一）。實際上省去濾色片以后，還可以提高成品率，減少生產(chǎn)工時，這些都是很重要的無形改進。


圖十一. 背光板的成本分析

其中背光源的成本是基于CCFL的數(shù)據(jù)，如果采用LED作為背光源，它所占的成本就大大超過這個比例。下面表中所示的數(shù)據(jù)雖然是2005年第四季度的數(shù)據(jù)，但是也還能夠看出其相對的關系。CCFL占22％的成本，而LED卻要占到77％的成本。



采用場順序制以后，發(fā)光效率就提高了70％，這是非常可觀的。這意味著LED的數(shù)量就可以減少70％，LED的成本就可以減少70％，假如我們仍然采用上面的數(shù)據(jù)，那么它的成本可以從270美元降低到81美元，總成本降低為158.2美元，所占比例也就降低到51％。 [!--empirenews.page--]

LED數(shù)量減少70％以后，其發(fā)熱量也可以減少70％，耗電也可以減少70％。這些都是非常重要的改進。

不僅如此，采用場順序以后，因為不需要再把每一個象素分為三個子象素，薄膜晶體管TFT也可以減少三倍，所以相當于把象素面積加大了三倍；或者說，如果保持象素面積不變，在和原來相同的屏幕尺寸時，就可以把分辨率提高三倍（見圖十二）。


圖十二. 場順序不需要把每個象素分成三個子象素

由此可見，采用場順序后所帶來的好處是不計其數(shù)的。



而且，也只有采用場順序以后才能夠使得LED背光能夠實現(xiàn)商業(yè)化。才能夠真正和CCLF競爭。

三星公司在去年推出了幾款采用場順序的LED背光液晶電視機。其中一款為40”的LE40M91，它的分辨率為1366x768，色域達到110％，對比度可達10000:1，亮度可達450 cd/m2，場頻為100Hz，背光系統(tǒng)的功耗比CCFL降低了70％。背光板的壽命提高一倍以上，更重要的是不含汞，符合RoHS標準。它的售價為3000美元。


圖十三. 三星生產(chǎn)的場順序液晶電視機LE40M91

區(qū)域亮度控制

采用LED背光以后，還可以用區(qū)域亮度控制來進一步降低背光功耗。它的基本考慮是這樣的。因為實際的圖象在每個具體部位的亮度是不一樣的有的可能區(qū)域比較亮，有的區(qū)域可能比較暗。那么就完全沒有必要采用均勻亮度的背光，而可以采用根據(jù)圖象內容決定的區(qū)域亮度控制。它把整個屏幕分隔為例如20個等份，根據(jù)圖象內容測出其平均亮度，而決定了這個區(qū)域所需要的背光亮度，然后對該區(qū)域的背光LED的亮度利用PWM技術進行實時控制，從而實現(xiàn)節(jié)能的目的。在采用背光的區(qū)域亮度控制以后，該區(qū)域的圖象信號也要加以相應的補償，以免產(chǎn)生亮度失真。

顯然，CCFL背光是不可能實現(xiàn)這種區(qū)域亮度控制的，一方面是因為CCFL的形狀是長條形，根本無法按屏幕分成20個等份的區(qū)域；另一方面，是因為它的亮度也不可能按照圖象的內容進行快速的調整。

韓國LG公司稱這種技術為AFLC（Area Focused Luminance C ontrol,即區(qū)域聚焦亮度控制）技術，而日本的NEC稱之為AGCPS（Auto Gama Control and Power Saving, 即自動伽碼控制和功耗控制），采用這種技術以后，功耗還可以減少一半。

所以如果把場順序和區(qū)域背光相結合，就有可能把整個背光系統(tǒng)的功耗降低為CCFL的一半一下。這是非常驚人的功耗節(jié)省。

LED背光的驅動電流和系統(tǒng)

為了產(chǎn)生彩色就需要RGB三種顏色的LED，如果每個燈的亮度可以控制到4096級（12bit），那么就有可能實現(xiàn)687億種顏色。通常把同一種顏色的LED串聯(lián)起來，以得到相同的電流。由于LED的發(fā)光通常會受到其本身溫度的影響，而且溫度還會改變其顏色，所以在高質量的液晶屏中還需要采用彩色傳感器和溫度傳感器，以便隨時監(jiān)測LED的顏色和溫度，然后再用PWM來控制各種顏色的LED的發(fā)光。整個系統(tǒng)的框圖如圖十四所示。


圖十四. 帶有彩色和溫度傳感器的RGB LED背光的控制系統(tǒng)

用于LCD TV的背光LED要求有較大的功率,通常每個高亮度LED的壓降為3-4伏,電流則高達500-700mA。為了驅動如此多的LED，勢必需要很高的電壓。由于通常LCD TV都是用交流供電的。所以最好采用由交流市電直接整流而得到的電壓供電。先把橋式整流得到大約250伏DC，直接用來驅動70多顆串聯(lián)的LED。然后再對LED進行恒流調節(jié)。這種轉換方案對輸入端的功率因子要求很高，所以還需要功率因子校正（PFC）。而圖十五的一種驅動電路可以自動起到PFC的作用，因而不再需要單獨的PFC芯片。

結束語

采用LED作為液晶電視的背光已經(jīng)是不可逆轉的潮流。根據(jù)Insight Media 在2006年作出的估計，用LED背光的LCD TV將在2010年超過CCFL背光的液晶電視機。其估計的絕對數(shù)字遠遠偏小，但是其相對估計還是可信的。


LED背光看上去好像沒有什么太復雜的技術，但是如果要應用到液晶電視中就含有很多非常復雜的技術。如果不早一點起步，我們又將遠遠落后于日本和韓國。永遠跟在他們的后面。甚至會再一次面臨繳納巨額專利費的困境?！爸袊羌译娚a(chǎn)的大國，但是不是家電生產(chǎn)的強國。”我們必須徹底改變這個狀況！唯一的方法，就是要加大研發(fā)的投入。美國的很多企業(yè)都將營業(yè)收入的20％以上用于研發(fā)。希望將來政府也要鼓勵和支持企業(yè)加大研發(fā)的投入。這才是中國企業(yè)的出路！