一種直下式LED背光源的設(shè)計(jì)方案

　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LCD需要通過(guò)外部光源實(shí)現(xiàn)透射或者反射顯示?，F(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，需要液晶面板廠家、背光源廠家、電視機(jī)廠家的共同合作。