低功耗液晶電視LED背光源設(shè)計(jì)及分析

通過(guò)合理選材并優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一款低功耗的118cm(47in)LED背光源。對(duì)膜材進(jìn)行篩選，采用1層擴(kuò)散膜、2層棱鏡膜和1層雙層增亮膜(DBEF)進(jìn)行搭配，保證了背光源的亮度。根據(jù)試驗(yàn)確定了LED之間的距離、LED發(fā)光面到導(dǎo)光板(LGP)入光面之間的距離和LED發(fā)光面與LGP入光面兩者的垂直距離。依據(jù)上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行樣品制作并與同類產(chǎn)品對(duì)比測(cè)試，結(jié)果表明：在滿足同等光學(xué)特性的前提下，所設(shè)計(jì)的LED背光源具有低功耗的優(yōu)點(diǎn)。

　　1　引言:

　　自從歐盟施行了RoHS標(biāo)準(zhǔn)，以消除在歐盟成員國(guó)銷售的電子產(chǎn)品中的鉛、鎘、汞、六價(jià)鉻、多溴聯(lián)苯和多溴聯(lián)苯醚等物質(zhì)以后，以汞作為主要成份的冷陰極熒光管(CCFL)注定將逐漸退出歷史舞臺(tái)。同時(shí)，綠色環(huán)保的LED亮度的提高，促使LED背光技術(shù)得到了極大的發(fā)展。LED背光憑借著色域廣、工作電壓低、響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，已呈現(xiàn)出取代CCFL背光的趨勢(shì)。在當(dāng)今低碳環(huán)保的主題下，低功耗的LED背光的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)更加明顯。

　　如何實(shí)現(xiàn)低功耗是LED背光的主要研究方向之一。LED背光主要由Back Cover、LGP、膜材、Mold Frame、LED　Bar、Bezel和Panel等組成，其能耗主要體現(xiàn)在LED　Bar上。通過(guò)合理設(shè)計(jì)背光結(jié)構(gòu)，挑選適合的膜材搭配，減少LED數(shù)量，提高LED的利用效率，可以大幅降低LED背光的功耗。本文設(shè)計(jì)了一款118cm(47in)LE背光源，通過(guò)對(duì)背光結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和膜材的篩選，在保證背光亮度和均一度等光學(xué)特性的前提下，減少了LED的數(shù)量，將背光的功耗控制在了較低水平。

　　2　LED背光設(shè)計(jì)

　　LED背光目前主要分為兩種：直下式和側(cè)光式。所謂直下式就是在背光的整個(gè)背面全部設(shè)計(jì)LED燈，通常應(yīng)用于大尺寸的背光，其優(yōu)點(diǎn)是亮度和均勻性好，缺點(diǎn)是使用的LED數(shù)量較多，發(fā)熱現(xiàn)象明顯;側(cè)光式是在背光的邊緣處設(shè)計(jì)LED燈，通常應(yīng)用于小尺寸的背光，優(yōu)點(diǎn)是使用的LED數(shù)量少，散熱也較好。但隨著LED亮度的提高和背光結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，大尺寸LED背光的發(fā)展趨勢(shì)將從直下式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗倪厒?cè)光式，再到兩邊側(cè)光式，最后將發(fā)展成為一邊側(cè)光式。雖然直下式背光的亮度和均一度都好于側(cè)光式，但是側(cè)光式背光的功耗要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于直下式。本文設(shè)計(jì)的118cm(47in)LED背光為上下兩邊側(cè)光式，上下兩邊各有兩條LED　Bar，每條LED　Bar上有60顆5630-LED，其結(jié)構(gòu)如圖1所示(文中Panel透過(guò)率設(shè)置為恒量)。5630-LED的亮度在2010年1月是571m/W，2010年3季度已經(jīng)提升到70～751 m/W，預(yù)計(jì)2011年3季度將提升到83～851m/W。隨著LED發(fā)光效率的提高，能耗將進(jìn)一步下降。

　　圖1　側(cè)光式LED　Bar結(jié)構(gòu)圖

　　2.1 膜材篩選

　　膜材的選擇直接決定了LED背光的性能。

　　為了使用盡可能少的LED而又保持良好的光學(xué)特性，本文設(shè)計(jì)的LED背光選用了1層擴(kuò)散膜、2層棱鏡膜和1層雙層增亮膜(DBEF)，膜材參數(shù)如表1所示。擴(kuò)散膜可以改變LGP出射的光路，讓射出的光更加均勻;還可以隱藏LGP 上的dot，使從正面看不到散射點(diǎn)的影子，擴(kuò)大視野角，提升輝度。棱鏡膜即增亮片，主要利用全反射和折射定律，將分散的光集中于一定角度范圍內(nèi)出射，從而提高該范圍內(nèi)的亮度。DBEF 是本文LED背光模組的關(guān)鍵膜材，可以使整個(gè)模組的亮度提升一倍，其工作原理如圖2所示。DBEF可以將不能通過(guò)下偏光片的光線反射回背光，經(jīng)背光的二次反射，部分光線又可以通過(guò)DBEF和下偏光片出射。經(jīng)過(guò)多次回收和利用，光的透過(guò)率得以大幅提高。

　　表1　膜材參數(shù)

　　圖2　DBEF工作原理示意圖

　　2.2 與LED相關(guān)間距的設(shè)計(jì)

　　對(duì)背光的合理設(shè)計(jì)可以提高LED的利用效率。影響LED利用效率的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有3個(gè)：

　　LED之間的距離;LED發(fā)光面到LGP入光面之間的距離;LED發(fā)光面和LGP入光面兩者的垂直距離。如圖3所示。只有將三者綜合考慮才能最大化LED的利用效率，從而降低功耗。

　　圖3　LED相關(guān)間距示意圖

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2.2.1　LED間距

　　由于LED是端面發(fā)光，圖4所示為L(zhǎng)ED端面發(fā)光示意圖，整個(gè)LED　Bar是不連續(xù)的光源，因此，當(dāng)LED之間的距離過(guò)大時(shí)，亮度會(huì)下降，并且可能產(chǎn)生明暗相間的Hot　Spot現(xiàn)象;當(dāng)LED之間的距離過(guò)近時(shí)，雖然亮度得到較大的提高，但需要LED的數(shù)量也會(huì)增加，導(dǎo)致LED的低利用效率和背光的高功耗。圖5是試驗(yàn)得到的LED亮度分布曲線，從圖中可以看到，隨著LED距離的增大，亮度下降;在LED之間的距離d>4.35 mm時(shí)，還會(huì)出現(xiàn)Hot　Spot現(xiàn)象，曲線波動(dòng)越大說(shuō)明Hot　Spot越明顯。同時(shí)LED　Bar的總長(zhǎng)度應(yīng)該小于LGP(1067×604.)，所以為了保證LED的亮度以及避免Hot　Spot現(xiàn)象，取LED之間的距離d=3.35mm。

　　圖4　LED端面發(fā)光示意圖

　　圖5　LED之間距離與亮度分布曲線

　　2.2.2 LED發(fā)光面到LGP入光面的距離

　　理論上LED的發(fā)光面到LGP的入光面之間的距離越小越好，這樣可以充分利用LED所發(fā)出的光;但在實(shí)際情況中，由于加工精度、不易組裝等問(wèn)題，不可能達(dá)到零間距。對(duì)LED 發(fā)光面到LGP入光面的距離進(jìn)行試驗(yàn)，得到LED-LGP之間距離與入射效率的擬合曲線，如圖6所示?？梢钥闯?，入射效率隨LED和LGP之間的距離增大而減小，在距離小于0.8 mm時(shí)，入射效率降低比較緩慢且在95%以上。因此，考慮到實(shí)際加工精度和裝配因素，取LED發(fā)光面到LGP入光面的距離為0.8 mm。

　　圖6　LED&LGP距離的入射效率分布曲線

　　2.2.3 LED發(fā)光面和LGP入光面的垂直距離

　　LED發(fā)光面和LGP入光面兩者之間的垂直距離通常會(huì)被忽略，但如果兩者之間的距離過(guò)大，也會(huì)嚴(yán)重影響入射效率。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，兩者之間的距離在±0.2mm范圍內(nèi)時(shí)，入射效率變化緩慢，且保持在95%左右，所以控制LED發(fā)光面和LGP入光面的垂直距離在±0.2mm范圍內(nèi)即可。

　　圖7所示為兩者之間的距離與入射效率的關(guān)系。

　　圖7　LED&LGP垂直距離的入射效率分布曲線

　　3　LED樣品測(cè)試結(jié)果

　　根據(jù)上述關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)和膜材的選取進(jìn)行樣品制作。圖8所示為118cm(47in)LED背光源的實(shí)物圖將樣品與同類產(chǎn)品進(jìn)行了比較，具體測(cè)試結(jié)果如表2所示。

　　本文中設(shè)計(jì)的樣品在保證了光學(xué)性能的前提下，實(shí)現(xiàn)了低功耗的目標(biāo)，達(dá)到了《平板電視能效限定值及能效等級(jí)》中規(guī)定的一級(jí)能耗，產(chǎn)品的厚度和色域也具有一定的優(yōu)勢(shì)。

　　圖8　  118cm(47in)LED背光源

　　表2　樣品測(cè)試結(jié)果

　　4　結(jié)論:

　　設(shè)計(jì)了一款118cm(47in)LED背光，選用1層擴(kuò)散膜、2層棱鏡膜和1層DBEF組成背光模組。

          根據(jù)試驗(yàn)對(duì)影響LED利用效率的相關(guān)尺寸進(jìn)行了優(yōu)化：LED與LED之間的距離d=3.35mm，LED發(fā)光面到LGP入光面的距離為0.8mm，控制LED發(fā)光面和LGP入光面水平中心的距離為±0.2mm。在保證背光光學(xué)特性的前提下，盡可能減少了LED的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)了背光的低功耗。