（信号与信息处理专业论文）超薄侧光式led液晶电视背光源设计与驱动电源硬件实现.pdf

超薄侧光式 - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ - - - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ! 潼! 垫遗查基丝益蔓挂剔虚咽的! 奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：沈奎瞻签字日期：知解如琚日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期：劢加年 壤杰看 多月) g 日 导师签字： 签字日期：矿b 年f 月z 面日 超薄侧光式l e d 液晶电视背光源设计与驱动电源硬件实现 两要 l e d 背光源是国际、国内刚刚起步的一种新技术，本文首先从目前最主流 侧光式l e d 背光源入手，研究此类背光源的设计方法，以便最大限度地与目前 主流市场接轨，适应市场的需求，摆脱当前此项新技术、材料全部依赖进口的现 状，并结合自身的需求对l e d 驱动电源进行了设计，实现l e d 恒流稳定工作。 论文阐述了液晶电视背光源的发展趋势及l e d 背光源在国际、国内的发展 现状，讨论了l e d 背光源较c c f l 背光源的技术优势，给出了侧光式l e d 背光 模组的组成与导光板网点设计方法，论述了课题所必备的光学、热学、电学等理 论。此外本文中关于侧光式l e d 背光源的设计研究，并不是停留在理论阶段的 纯粹的学术研究，而是将重点放在实际产品设计上。 本文通过采用0 2 公司的一款恒压驱动芯片o z 9 9 8 6 来实现恒流，并建立 l e d 背光源的驱动模型，探索在研发侧光式l e d 背光源驱动过程中所遇到的问 题和需要解决的关键技术，为侧光式超薄l e d 背光的液晶电视的研究做出了探 索性和实验性的工作。本论文实现电源电路与驱动电路相结合，最终完成2 6 英 寸侧光式l e d 背光源液晶电视的电源驱动电路的制作。 论文完成了侧光式l e d 背光模组的光学设计，结合对l c d 屏、光学膜片及 温度等影响因素的研究分析，实现了2 6 英寸侧光式l e d 背光液晶电视的搭建， 将此背光模组经过e m c 测试、加速老化试验、光学测试等试验后，试验结果证 实了l e d 液晶电视具有亮度均匀性好、功耗低、超薄等优点。 实验表明，本论文的理论推导和样机的建立过程为中大尺寸侧光式l e d 背 光源的进一步研究和推广奠定了基础。 关键词：侧光式l e d 背光源、电源驱动电路、超薄 d e sig no fe d g e l _ iitl e db a c kiig h ta n ddrivin gcir c uit f o ruitr a - t hinl c dt v a b s t r a c t l e db a c k l i g h ta san e wt e c h n o l o g yh a sj u s ts p r u n gu pi nt h ei n t e r n a t i o n a la n d d o m e s t i cm a r k e t f i r s t l y , t h i sp a p e rs t a r t e dw i t ht h em o s tm a i n s t r e a mo fe d g e - l i tl e d b a c k l i g h ta tp r e s e n t r e s e a r c h i n gs u c hb a c k l i g h td e s i g nm e t h o d ss o a st ou t m o s t i n t e g r a t ew i t hm a i n s t r e a mm a r k e ta n dm e e tt h ed e m a n d so fm a r k e t m e a n w h i l e ，i tc a n h e l po u tt h ee x i s t i n gs i t u a t i o nt h a tt h i sn e wt e c h n o l o g ya n dm a t e r i a l sa l ld e p e n do n i m p o r t s c o m b i n i n gw i t ht h ed e m a n d s o nt h ep o w e r ，l e dd r i v i n gc i r c u i ti sd e s i g n e d t oa c h i e v eas t a b l ec o n s t a n t l yc u r r e n tf o rl e d t h ea r t i c l ei l l u s t r a t e st h ed e v e l o p m e n tt r e n do fl c dt vb a c k l i g h ta n dt h e d e v e l o p m e n ts t a t u so fl e db a c k l i g h ta th o m ea n da b r o a d i td i s c u s s e st h et e c h n o l o g y o fl e d b a c k l i g h tp r i o rt ot h et e c h n o l o g yo fc c f lb a c k l i g h t t h ep a p e ra l s oe x p l a i n s t h ec o n s t i t u t i o no fe d g e l i tt y p el e db a c k l i g h tm o d u l e sa n dd e s i g nm e t h o d so fl i g h t g u i d ep l a t en e t w o r k 埘t l lt h es u b j e c to fo p t i c a l ，t h e r m a l ，e l e c t r i c a la n do t h e rt h e o r i e s n e c e s s a r y i na d d i t i o n ，t h i sa r t i c l e sr e s e a r c ho nt h ed e s i g no fe d g e - l i tl e db a c k l i g h t i sn o tr e m a i ni nt h et h e o r yo fp u r ea c a d e m i cr e s e a r c h ，b u tf o c u so nt h ed e s i g no f a c t u a lp r o d u c t t h r o u g ht h eu s eo fc o n s t a n tc u r r e n td r i v i n gi co z 9 9 8 6o f0 2c o m p a n yt o r e a l i z ec o n s t a n tc u r r e n ta n de s t a b l i s hd r i v e nm o d e lo fl e db a c k l i g h t i te x p l o r e st h e p r o b l e m sa n dk e yt e c h n o l o g i e sn e e d e dt ob er e s o l v e di nt h ep r o c e s so fr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to fe d g e l i tl e db a c k l i g h td r i v i n gc i r c u i t ，m a k i n ge x p l o r a t o r ya n d e x p e r i m e n t a lc o n t r i b u t i o n st ot h er e s e a r c ho fu l t r a - t h i ne d g e - l i tl e db a c k l i g h to ft h e l c dt v i tr e p r e s e n t st h ec o m b i n a t i o no ft h ep o w e rc i r c u i ta n dd r i v i n gc i r c u i t i n p r a c t i c a lw o r k ，ih a v ea c h i e v e dt h ed e s i g no fp o w e rs u p p l yd r i v i n gc i r c u i to nt h e 2 6 - i n c he d g e - l i tl e db a c k l i g h to ft h el c dt v t h et h e s i si l l u s t r a t e st h a t ，b yr e s e a r c h i n ga n da n a l y z i n gi n f l u e n c ef a c t o r so f e d g e - l i tl e db a c k l i g h tc o m b i n e dw i t ho p t i c a ld e s i g no nt h el c ds c r e e n ，o p t i c a l d i a p h r a g ma n dt e m p e r a t u r e ，i th a sr e a l i z e dt h ef o u n d a t i o no f2 6 - i n c he d g e l i tl e d b a c k l i g h tl c dt v t h er e s u l t sp r o v e dl e d l c dt vt a k ea d v a n t a g e so ng o o d u n i f o r m i t y , l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，u l t r a t h i ne t c ，b yt e s t i n go fe m c ，a c c e l e r a t e d a g i n g ，o p t i c a la ns oo n i ts h o w st h a tt h ed e r i v a t i o no ft h e o r yi nt h i sp a p e ra n dt h ep r o c e s so fb u i l d i n gt h e p r o t o t y p eh a v el a i df o u n d a t i o nf o rf u r t h e rs t u d ya n dg e n e r a l i z a t i o no fh el a r g es i z e l e d e d g e l i tb a c k l i g h t k e yw o r d s ：e d g e ii tl e db a c k i ig h t ，p o w e rd riv in gcir c uit ，ui t r a t hin 目录 l 刖舌1 1 1 课题的研究背景1 1 2l e d 背光源的介绍2 1 2 1 白光l e d 的技术概况3 1 2 2 l e d 背光较普通背光源的技术优势3 1 2 3 l e d 背光面临的挑战4 1 3l e d 背光模组研究- 5 1 3 1 直下式结构5 1 3 2 侧光式结构一6 1 4 侧光式l e d 背光模组简介6 1 5 本章小结7 2 侧光式l e d 背光模组设计8 2 1l e d 的选型与灯条设计8 2 1 1 l e d 光通量的计算1 0 2 1 2 l e d 主要参数与特性1 0 2 1 3 侧光式背光源l i g h tb a r 设计1 2 2 2 侧光式l e d 背光源光学膜材特性1 3 2 2 1 导光板1 3 2 2 2 反射片。1 4 2 2 3 扩散片1 4 2 2 4 棱镜片1 5 2 2 5 d b e f 1 6 2 3 侧光式l e d 背光模组光学设计1 6 2 4 侧光式l e d 背光模组光学计算1 8 2 4 1 背光模组的尺寸1 8 2 4 2 背光模组光学估算1 9 2 4 3 导光板光学建模及仿真一2 0 2 5 本章小结2 2 3 开关电源的原理2 3 3 1 开关电源的组成2 3 3 2 开关电源的拓扑结构2 4 3 2 1 b u c k 变换器2 4 3 2 2 b o o s t 变换器2 5 3 2 3 正激变换器2 5 3 2 4 反激变换器2 6 3 2 5 反激变换器的工作模式一2 7 3 3 开关电源的调制方式2 8 3 3 1 p w m 调制方式2 8 3 3 2 p f m 调制方式。2 9 3 3 3 p s m 调制方式2 9 3 4 开关电源的控制模式3 0 3 4 1 电压控制模式3 0 3 4 2 电流控制模式3 l 3 5 本章小结。3 2 4l e d 驱动器的分类和解决方案3 3 4 1 白光l e d 驱动技术分类3 3 4 1 1两种常用的驱动方法3 4 4 2 侧光式l e d 背光源电源设计3 5 4 2 1 本系统电源电路的组成与整体架构3 5 4 2 2电源e m c 部分设计。3 6 4 2 3 开关电源部分设计3 7 4 3 基于n c p l 2 7 1 的保护电路4 0 4 4 驱动电路原理介绍4 4 4 4 1驱动部分恒流控制的原理4 4 4 5 本章小结一4 7 5 系统的测试平台与测试结果4 8 5 1 液晶电视光色性能参数测试内容4 8 5 1 1 对比度4 8 5 1 2 亮度均匀性4 9 5 2 光学测试方法4 9 5 2 1 光特性测试系统4 9 5 2 2 测试条件5 0 5 2 3 测试结果5 0 5 3 本章小结5 l 6 总结与展望5 2 6 1 本文总结5 2 6 2 侧光式l e d 液晶电视展望5 2 参考文献5 4 致谢5 6 个人简历5 7 发表的学术论文5 7 i i 超薄侧光式l e d 液晶电视背光源设计与驱动电源硬件实现 1 前言 1 1 课题的研究背景 液晶显示技术以其平板化、高对比度、高分辨率、无电磁辐射、低功耗、数 字式接口、易集成和轻巧便携等特点率先进入市场并不断拓展其应用领域。l c d 为被动显示元器件，它本身并不能发光，因此必须要有背光源给l c d 提供均匀 稳定的背光源。因此，背光源的性能直接决定液晶电视的亮度、颜色，以及功耗 等主要指标【l l 。随着液晶电视逐渐成为当代高新技术产业、信息产业中最重要的 信息显示方式，其对背光源的性能要求也越来越高，因此设计出一款性能优秀、 亮度均匀、厚度超薄的背光源具有重要意义。 背光源的主要产品种类有：冷阴极荧光灯( c c f l ) 、发光二极管( l e d ) 等。 其中工艺成熟、性能稳定、价格低廉，并在彩色液晶显示设备上普遍使用的背光 源是冷阴极荧光灯。传统的液晶电视大都采用冷阴极荧光灯( c c f l ) 作为背光 源。随着发光二极管( l e d ) 芯片制造技术和封装技术取得重大进展，光效逐渐 提高，色域不断拓展，它已成为小型便携式液晶显示设备( 比如手机、m p 4 、p d a 等) 最重要的部件之一【2 】1 3 1 4 j 【5 l 。近年，l e d 自身技术进一步发展，价格也进一步 降低，因此l e d 背光源以其本身特有的优势在中大尺寸液晶显示设备的应用量 逐渐增加，被认为是下一代背光源的主流，可望在未来成为中大尺寸l c d 的主 要背光源。受液晶显示器的市场推动，背光源产业，将呈现更大的活力l e d 在 液晶领域的应用也在不断拓宽。 早在2 0 0 4 年，日本的s o n y 便率先将l e d 背光成品化，推出了一款采用 l e d 背光的2 3 英寸和一款4 6 英寸的液晶电视，把液晶电视的色域范围扩展到 了1 0 5 n t s c ( n a t i o n a lt e l e v i s i o ns y s t e mc o m m i t t e e ) ，根本上解决了液晶电视色 饱和度不够的致命缺点，打破了l e d 背光源在显示领域上仅由小尺寸循序发展 的状况，使l e d 在背光源市场上有了更快速而且多元化的发展。在美国波士顿 召开s i d 2 0 0 5 ( 显示信息学会2 0 0 5 年会) 上，三星、l g 、飞利浦等公司都发布了 在l e d 背光领域的最新发展，加快了l e d 背光技术走上真正的实用化【6 1 1 7 】f 8 】。 2 0 0 8 年8 月，海信首款4 2 英寸超薄l e d 背光液晶电视正式在国内上市， 超薄侧光式l e d 液晶电视背光源设计与驱动电源硬件实现 这是国内首台国际最薄的l e d 液晶电视，并将动态背光技术运用其中，充分展 示了l e d 液晶电视的节能、超薄、宽色域的优越性能。 2 0 0 9 年，三星成为l e d 背光源液晶电视的主力倡导者，其公司三大系列超 薄l e d 机型凭借优秀的外形和出色的性能受到消费者的青睐。同时，包括海信、 等国产品牌，以及夏普、东芝、l g 等外资品牌在内，也把l e d 背光技术应用到 其高端新品身上。 2 0 1 0 年美国c e s 展会上，众多国际大公司纷纷推出自己的侧光式超薄l e d 背光液晶电视产品，l g 推出最新的超薄4 2 寸液晶电视，厚度仅为6 9 m m 。根 据业内权威调研机构i s u p p l i 预测，2 0 1 0 年全球的l e d 背光液晶电视出货量将大 幅上升，4 0 英寸及以上的型号出货量预计增加8 倍左右，从2 0 0 9 年的2 5 0 万台 激增到1 8 8 0 万台，到2 0 1 3 年，这项数字将达到1 1 2 亿台，平均每年增长率高 达4 0 5 。 目前节能、超薄已成为液晶电视的发展方向，而侧光式l e d 液晶电视正迎 合了这种趋势，因此，研究出我们自己独立知识产权的超薄l e d 背光液晶电视 已成为最为紧迫的事情，而在最近几年l e d 背光液晶电视定会迎来它的普及期。 1 2l e d 背光源的介绍 背光源是提供给l c d 面板的光源。主要由光源、导光板、光学膜片、塑胶 框等组成。目前光源类型主要有c c f l 、e l 、及l e d 三种类型，而l e d 在液 晶领域的应用，主要是利用l e d 发光元件替代以前的c c f l 荧光灯来作为液晶 电视的背光源。l e d 由数层很薄的搀杂半导体材料制成，一层带有过量的电子， 另一层则缺乏电子而形成带正电的空穴，工作时当电流通过l e d ，电子和空穴 相互结合，多余的能量则以光辐射的形式被释放出来，通过使用不同的半导体材 料可以获得不同发光特性的发光二极管。 随着l c d 行业不断推陈出新，l c d 产品尺寸朝多元化和轻薄化方向发展， 背光源作为l c d 产品的核心组件之一势必顺应此发展趋势。侧光式l e d 背光源 是背光模组实现超薄化的必然选择。 2 超薄侧光式l e d 液晶电视背光源设计与驱动电源硬件实现 1 2 1白光l e d 的技术概沉 1 9 6 2 年，第一颗实用型的可见光l e d 出现，但数十年来，l e d 技术一直未 能得到重用，直到1 9 9 3 年，日本科学家利用镓合物制造出蓝光l e d t m l ，这个突 破对l e d 的发展起到决定性的作用。至此，彩色显示所需的三基色红、绿、蓝 以及橙、黄多种颜色的l e d 都达到了坎德拉级的发光强度，实现了高亮度化、 全色化，使发光二极管用于显示行业成为现实。在蓝光l e d 的基础上，白光l e d 很快就在1 9 9 7 年被发明出来，所谓白光是多种颜色混合而成的光，以人类眼睛 所能见的白光形式至少须两种光混合。在技术方面，l e d 实现白光的方法主要 有三种： l 、通过l e d 红绿蓝的三基色多芯片组合发光合成白光。 优点：效率高、色温可控、显色性较好。 缺点：三基色光衰不同导致色温不稳定、控制电路较复杂、l e d 成本较高、生 产工艺复杂。 2 、蓝光l e d 芯片激发黄色荧光粉，由l e d 蓝光和荧光粉发出的黄绿光合成自 光，为改善显色性能还可以在其中加少量红色荧光粉或同时加适量绿色、红色荧 光粉。 优点：效率高、制备简单、温度稳定性较好、显色性较好、亮度较高。 缺点：一致性差，色域较差。 3 、紫外光l e d 芯片激发荧光粉发出三基色合成白光。 优点：显色性好、制备简单。 缺点：目前，l e d 芯片效率较低，有紫外光泄漏、荧光粉温度稳定性等问题待 解决。 1 2 2l e d 背光较普通背光源的技术优势 1 1 1 2 1 3 1 4 l e d 的内在特征决定了它是最理想传统光源的替代者，它有着广泛的用途， 总结起来l e d 有以下优越性f 1 5 l ： 1 、传统的c c f l 作为背光源，其色还原性差，色域范围只有7 2 n t s c ， 而l e d 背光源可把色域范围扩展到9 0 n t s c ，可以重现观察到的自然场景。 2 、l e d 的响应时间短、速度快，可以解决液晶电视运动画面拖尾现象。 超薄侧光式l e d 液晶电视背光源设计与驱动电源硬件实现 3 、高亮度，且电流可调，可以在寿命范围内实现稳定的亮度和色彩表现， 并可进行p w m 调光，降低能耗。 4 、可为大尺寸屏幕提供连续面阵光源。最基本的l e d 发光单元是3 - - - 5 m m 边长的正方形，很容易组合在一起成为一定面积的面光源，具有很好的亮度均匀 性，而作为液晶电视的背光源，所需的辅助光学组件简单，屏幕亮度均匀性更为 出色。 5 、传统c c f l 灯管的闪烁发光频率较低，表现动态场景可能产生画面跳动。 而l e d 背光可以灵活调整发光频率，其发光频率大大高于c c f l ，因此能完美 地呈现运动画面。 6 、亮度调整范围大。因c c f l 背光的亮度调节有一个最小值，而l e d 背光 功率控制范围非常大。因此，无论在明亮的户外还是全黑的室内，用户都很容易 把液晶电视的亮度调整到最悦目的状态，实现最佳显示效果。 7 、l e d 是绿色环保产品，不含汞，是固体光源，抗震性好。 8 、低电磁辐射。l e d 光源没有任何射线产生，也没有水银之类的有毒物质， 是绿色环保光源。 9 、l e d 的使用寿命在十万小时左右，且在此期间内可维持出色的亮度和颜 色，而不会在使用一段时间后出现背光发黄、变暗的问题。 1 0 、l e d 使用的是6 - - - 2 4 v 的低压电源，十分安全，电源驱动的设计灵活。 1 2 3l e d 背光面临的挑战 尽管l e d 背光技术有着巨大的优势，但现阶段依然面临一些难题急需解决。 主要问题有： 1 l e d 背光技术最大的挑战就是成本问题。白光l e d 器件被几大寡头垄断， 制造成本居高不下，采用l e d 背光的产品售价现阶段依然明显高于c c f l 背光 产品。 2 白光l e d 器件的产量无法满足大批量需求。要实现l e d 背光的快速普及， 就必须突破白光l e d 的专利封锁。 3 l e d 的发光效率目前还不高，这样就势必造成要达到同样的亮度会增加 l e d 的成本，且会对l e d 散热设计提出更大的挑战，所以下一阶段l e d 发光效 4 超薄侧光式l e d 液晶电视背光源设计与驱动电源硬件实现 率的提高是个必然趋势。 以上三个问题是制约l e d 背光发展的突出问题，但l e d 市场的巨大需求是 解决所有问题的动力。日前，国内国外各大厂商对l e d 背光研究投入持续增加， 白光l e d 主导厂商日亚化学在不断提升旗下白光l e d 产品的产量，同时其他厂 商的白光l e d 产品也逐渐突破专利封锁开始量产，白光l e d 的价格也正以较快 的速度下降，相信不超过五年，l e d 背光模组的价格将会和c c f l 背光模组的 价格持平，l e d 的发光效率问题，近期也有明显改善。新一代白光l e d 的发光 效率已经提升到8 0 1 m w 。在未来3 5 年内，l e d 的发光效率将超越1 0 0 1 m w 的 水平。以上三个困扰l e d 背光的关键问题都有望很快得到解决。 1 3l e d 背光模组研究 l e d 背光模组为液晶面板提供均匀、高亮度的光源，其基本原理为将常用 的l e d 点光源组成线型光源，透过有效的光学膜片转化成高亮度且均一辉度的 面光源产品。 l e d 背光源按光源分布位置分可分为侧光式和直下式两种基本结构。 1 3 1 直下式结构 在直下式结构中l e d 位于液晶面板底部，其l e d 发光体采用点阵式布局， 不含导光板，光线经反射后，向上经扩散板均匀分散后由正面射出。其优点为高 辉度、宽色域、出光角好、可进行背光动态控制【1 6 i ，颜色表现力十分突出，其背 光源结构图见图1 1 所示。 l c i ) p a n e l d 1 3 e f 砼垒垒垒垒盆礁趁鎏薹遗邂逵遒型型望些b e f 图1 1直下式背光源结构图 l e d 反射片 超薄侧光式l e d 液晶电视背光源设计与驱动电源硬件实现 1 3 2 侧光式结构 在侧光式结构中，l e d 位于背光模组的侧边上，这样就减小了背光模组厚 度。侧光式背光源拥有重量轻、超薄化、耗电低的特色，节省了空间，可使用户 得到强烈的视觉和感官冲击，其背光源结构图见图1 2 所示。 u d r c b 图1 2 侧光式背光源结构图 上述的两种背光源结构为目前在l e d 背光源方面所普遍采用的形式，这两 种结构主要是根据产品的尺寸并结合所需产品的各自特点来选取，一般来说，直 下式l e d 背光，因其在颜色方面的优秀表现力，而一直受到人们的青睐。而侧 光式结构颜色表现力会稍差，但其功耗小、成本低、可适应液晶电视超薄设计， 因此有非常高的开发空间和市场潜力，更易于获得消费者认可。 1 4 侧光式l e d 背光模组简介 侧光式l e d 背光模组是将点状l e d 光源组成线型光源，并将其设置在经过 特殊设计的导光板的侧边做成背光源，并透过有效的光学膜片组合，将其转化成 高亮度且均一辉度的面光源产品【 1 。其中最重要的是背光源的选择和导光板的网 点设计。背光源的性能优劣决定了整个背光模组的性能表现，导光板网点设计优 劣决定光是否能实现均匀分布，并保证光最大限度的耦合到液晶面板上，其原理 是利用导光压克力板底的网点分布破坏光的干涉现象，将线光源均匀转换成面光 源，其作用在于引导光的散射方向，让光的分布更加均匀，用来提高液晶面板的 亮度，并确保面板亮度的均匀性。侧光式背光模组可以做到超薄，但背光源的光 利用率较小，且背光模组越薄其光利用率越小。 6 背 组 7 超薄侧光式l e d 液晶电视背光源设计与驱动电源硬件实现 2 侧光式l e d 背光模组设计 侧光式l e d 背光模组设计是侧光式l e d 液晶电视设计的关键，其中包括 l e d 的选型、l e d 灯条设计、各种光学膜片的选择与组合，其设计流程图如图 2 1 所示。 侧光式l e d 背光模组设计的合理性将影响电源驱动的设计，对整个液晶电 视系统的稳定性有着重要作用。因此，设计出结构合理、价格适中、品质优良的 侧光式背光模组对项目有着决定性的意义。 图2 1 侧光式l e d 背光模组设计流程图 2 1l e d 的选型与灯条设计 最初开发出的l e d 由于功率较小、散热性能不佳、色衰不一致，故难以满 足用作为l c d 背光源的要求。随着l e d 产业的发展，中、大功率l e d 用作l c d 背 光源越来越普遍。本文中应用的l e d 为3 5 3 5 封装的l e d ，其属于白光l e d ，是荧光 粉激发型的，其是在蓝光l e d 芯片外围覆盖有黄色的荧光粉，这种l e d 灯色域稍 低，但发光效率高，其实际外观如图2 2 所示，其u i 特性如图2 3 ，从图示可看出 超薄侧光式l e d 液晶电视背光源设计与驱动电源硬件实现 当电流在6 0 m a 时，其导通压降约为3 3 v 。 ， 。一一 。?， 一。，“ 图2 2 本设计所用l e d 实物图 图2 3 本设计所用白光l e du i 曲线图 但当正向电流6 0 m a 时，不同供应商的正向电压具有离散性，即使相同的 l e d 厂家其同一批次的产品其正向电压也会有所差异( 变化范围从3 1 v 至 4 0 v ) 。 3 8 1 3 6 3 2 3 2 6 9 8 09 01 0 0 i 以 专i f 超薄侧光式l e d 液晶电视背光源设计与驱动电源硬件实现 图2 4 不同白光l e d 之间的电流电压特性 图2 4 给出了一组随机挑选的白光l e d 的电流电压曲线，曲线显示了不同 白光l e d 之间电流电压特性有相当大的差别。因此，在这些l e d 上加载3 3 v 电压会产生1 0 m a 左右的正向电流误差，导致不同亮度的白光。同样，此时l e d 也具有不同的光强，这样会产生不均匀的亮度，使液晶电视无法实现亮度均匀化， 因此，要想每颗l e d 获得均一的亮度，必须恒流驱动。 2 1 1l e d 光通量的计算 发光二极管的发光指标中，通常会给出发光强度和发散角两个数值，这两个 数值变动范围往往很大，其实最有效衡量l e d 参数的是发光效率和光通量。根 据发光强度和光通量的定义，可以计算通过下式计算光通量： 妒= 2 村( 1 一c o s - 兰) ( 2 1 ) 式2 1 中妒为主光束光通量，单位为流明，i 为发光强度，单位c d ，万= 3 1 4 ， a 为发散角，按上述公式得出的妒仅为发光二极管主光束的光通量，此外还应包 括散射光，因而，总的光通量比妒大。但是，由于散射光难于计算，一般情况下， 只算出主光束光通量就知道其光通量大小。本设计中所用l e d 其在6 0 m a 电流 下，发光强度为4 0 0 0 m c d ，其发散角为1 2 0 度。故由公式2 。1 可知光通量 缈= 1 2 5 6 1 m 。 其发光效率为r = 吾，p 为l e d 在一定电流下的功率，本设计所取电流为 6 0 m a 由计算可知p = 3 3 x 0 0 6 = 0 1 9 8 w 。则此l e d 的发光效率为6 3 4 3 l n l w 。 2 1 2l e d 主要参数与特性 l e d 发光器件相关电性参数： 1 正向电压v f ( f o r w a r dv o l t a g e ) ：通过发光二极管的正向电流为确定值时， 在两极间所产生的电压降。 2 反向电压v r ( r e v e r s ev o l t a g e ) ：被测发光二极管器件通过的反向电流为确 定值时，在两极间所产生的电压降。 l o 超薄侧光式l e d 液晶电视背光源设计与驱动电源硬件实现 3 反向电流i r ( r e v e r s ec u r r e n t 时，流过发光二极管的电流。 i j i f u s p 二二 i r u r r u 击 反向死区 正向死区 1 穿 j-j【l l 区 1 。t 1 r 图2 5l e d 伏安特性 l e d 正向伏安特性曲线比较陡，在正向导通之前几乎没有电流，当电压超 过开启电压时，电流就急剧上升，图2 5 为l e d 的伏安特性曲线。 l e d 属于电流控制型半导体器件，其发光亮度l ( 单位c d m 2 , 读作坎德拉每 平方米) 与正向电流i f 近似成正比，有公式： 三= r i ： 式中，k 为比例系数，当小电流范围内( i f = l 1 0 m a ) ，m = 1 3 1 5 。当i s 1 0 m a 时，m = l 。通常情况下，流过l e d 的电流不会低于1 0 m a ，此时公式可以简化成： l = k if 即亮度与正向电流成正比。因此，l e d 的亮度控制可以通过流过l e d 的电流来 控制。l e d 的正向电流大小与l e d 管芯的大小有关，一般l e d 的正向电流不要 超过其推荐值，若电流过大，会烧毁l e d 的p n 结。因此，在使用时应根据所 要求的显示亮度来选择合适的i f 值，既保证亮度适中，也不会损坏l e d 寿命。 超薄侧光式l e d 液晶电视背光源设计与驱动电源硬件实现 2 1 3 侧光式背光源l i g h tb a r 设计 本设计中使用的l e d 灯条为了实现良好的散热设置，我们选取金属铝基板 p c b 作为l e d 灯条载板。铝基板较普通p c b 其导热系数更大，导热性能更好， 下图2 - 6 为铝基板与f r 4 材质p c b 板的温升试验对比，从温升效果分析，为了 保证l e d 灯的高可靠性工作，我们选择成本较高的金属铝基板。 试验条件2 5o c 环境温度，无空气对流影响，2 6 寸样机密闭空间，6 0 m a 电流 材质铝基板p c bf r 4 材质p c b 温升4 6 0 c7 2o c 图2 - 6 铝基板与f r 4 材质p c b 板的温升试验对比 结合驱动电源设计与成本最优化，我们采用上下各两根灯条，单串灯条5 0 颗l e d 灯，共2 0 0 颗l e d 灯，其详细推导过程见2 4 3 ，采用串联连接方式， 6 0 m a 电流恒流驱动，为增强散热效果及简化结构设计l e d 灯条直接通过导热 胶与铝背板紧密耦合，并通过螺丝锁固。图2 7 为l e dl i g h tb a r 局部图示。 图2 - 7l e dl i g h t b a r 图示 1 2 超薄侧光式l e d 液晶电视背光源设计与驱动电源硬件实现 2 2 侧光式l e d 背光源光学膜材特性 2 2 1 导光板 导光板( l i g h tg u i d ep l a t e ) 又叫l g p ，是l i g h tg u i d ep l a t e 的缩写。它在背 光源内部的功能是将l e d 灯条提供的侧入射光源由内部的反射原理转换成面光 源。从侧面进入l g p 的入射光，碰到底面的网点发生漫反射后射向出光面，没 有碰到网点的光线在l g p 内部不断的进行全反射，最终通过碰到网点发生漫反 射后射向出光面，其结构示意图如图2 8 所示。目前l g p 最常用的材料是 p m m a ( 聚甲基丙烯酸甲酯) 。因为p m m a 具有以下几大优越的性能：热缩性、 高透过率、温湿度稳定性以及抗划伤性。 l 图2 8 导光板结构示意图 l g p 根据其制造工艺的不同一般可分为：印刷型导光板和非印刷型导光板 两种，图2 - 9 为l g p 的分类及不同工艺优缺点对比。非印刷型导光板又可分为 c u t t i n g 型导光板和注塑导光板，其中c u t t i n g 型又分v - c u t t i n g 型和u c u t t i n g 型。 项 印刷式c u t t i n g 型注望型 目 丝网印刷式 绘图切割型 摸具注塑型 制 作 占。上 工 艺 优 丝网寿命短 量产性差 设备模具成本高 缺 光损失大 异物多 占 ，、 图2 - 9 导光板工艺比较 超薄侧光式l e d 液晶电视背光源设计与驱动电源硬件实现 目前，常用的大尺寸l g p 多采用印刷型导光板，尽管印刷型导光板的光线 损失大，辉度较低，但是印刷的速度快，生产效率高。侧光式l e d 背光源按入 光数量可分为四周入光、双侧入光和单侧入光。由于t v 用背光源多采用2 4 根 l e d 灯条，成上下对称分布。双侧入光时，l g p 印刷网点两侧较稀疏，越到中 间越密集。因此l g p 上下两侧光线强度较强，越往中间光强越弱。中间网点较 密集可使更多的光线通过网点反射出去，保证整个背光源的亮度均匀性。而单边 入光式因背光源一般采用单根或双根l e d 灯条，因此靠近灯条一端的光强较强， 远离灯条一端的光强较弱。因此，将远端的印刷网点较密集，可进一步增加了远 端反射出的光强度，以此保证背光源整体的均匀性。印刷型因为其成本低，目前 还是导光板制作的主流技术，本设计所用的导光板为网点印刷型导光板。 2 2 2反射片 反射片的功能是在l g p 底部充当反射面，将从l g p 底部透射出来的光线反 射回传导区域，从而减少光线的损失，提高光线利用率。反射片本身对光线亦稍 微有散射的效应，在侧光式大型的l e d 背光模组里，为降低l g p 入光处的亮线 效应，常在对应的入光处利用反射片做消光处理，从而得到较佳的外观效果及