超薄液晶电视用LED背光模组的设计.doc

超薄液晶电视用LED背光模组的设计李秀真:超薄液晶电视用LED背光模组的设计文章编号:10066268(2010)11-004004超薄液晶电视用LED背光模组的设计李秀真(北京京东方茶谷电子有限公司研发所.北京100176)摘要:大尺寸LED背光源是平板电视产业发展的新趋势.文章设计了一款大尺寸超薄侧光式LED背光源.调研了LED厂家,从光效,功耗,结构设计等方面考虑选择LED.通过光学设计软件设计了导光板网点;根据LED的规格及颗数设计双层铝基板灯条,驱动控制电路采用高压驱动方案,支持PWM调光.经测试.文中设计的液晶电视用侧光式LED背光源厚度9.9mm,功耗150W,中心亮度5,500nit,均齐度82%,达业界领先水平.关键词:LED背光;高压驱动:超薄结构中图分类号:TN312+.8文献标识码:BDesignofLEDBacklightModuleUsedforUltra-thinLCDTVLIXiu-zhen(BeijingBOECHATANIElectronicsCo.,Ltd.,ResearchCenter,Beijing100176,China)Abstract:ApplyinglargesizeLEDbacklightisthenewdevelopmenttrendofflat-panelTVindustry.Alarge-sizedultrathinedge-lighttypeLEDbacklightisdesignedinthispaper.DependingontheresearchoftheLEDmanufacturers.LEDhasbeenchosenwiththeconsiderationofluminousefficiency,powerconsumption,structuredesign,etc,Thelightguideplateisdesignedthroughtheopticaldesignsoftware.AccordingtothespecificationandnumberofLED,thelightbarisdesignedtobedoublelayerMCPCB,andhighvoltagedesignisadoptedinthedrivercontrolcircuitwhichsupportsthePWMdimming.Inordertoachieveabettercoolingeffect,thermaldesigniscarriedout.TheedgelighttypeLEDbacklightdesignedinthispaper,itsthicknessis9.9mm,itspoweris150W,itscenterbrightnessiS5.700nit,andtheun_fOrmitvis82%bytesting.Itreachestheleadingleveloftheindustry.Keywords:LEDbacklight;highvoltagedrive;ultra-thinstructure40现代显示AdvancedDisplayDec.2010,总第119期收稿日期:2010-10-29李秀真:超薄液晶电视用LED背光模组的设计引言液晶屏自身并不发光,为了可以清楚地看到显示屏的内容,需要一定的白光背光源.背光源是存在于液晶显示器内部的一个光学组件,由光源和必要的光学辅助组件构成.传统的背光源采用的是冷阴极荧光灯(CCFL),色彩还原性差,含有对人体有害的汞蒸气.LED背光源色彩还原性好,寿命长,不含汞,有利于环境保护.就驱动电路而言,传统的CCFL背光驱动线路十分复杂,要求上千伏特的驱动电压,利用专门的逆变器才能驱动起来.而LED可以低电压工作,响应速度快,控制较为方便.近年来LED被逐渐引入到现有的液晶显示技术中,背光源非常有可能成为下一个被LED垄断的产业.LED背光源如果通过增加对比度,区域控制等手段,性能要远远优于CCFL背光源.目前,LED背光源已经在中小尺寸面板中普及,如手机,数码相框等,随着LED技术的发展和LED芯片的不断成熟,LED液晶电视将可能逐步取代传统的CCFL液晶电视,21.背光源根据光源的位置不同分为直下式背光源和侧光式背光源.直下式背光源,直接把LED光源放在出光面下面,光源发出的光经过一段空间距离和扩散板的扩散和混合后,成为面光源发射出来口1,直下式背光源需要一定的混光距离.而侧光式背光结构对超薄化的模块设计则更具优越性,随着超薄风的刮起,大尺寸超薄侧光式LED背光源成为各大电视厂商及上游企业的研究热点.1结构设计本文所设计的LED背光源是侧光式超薄结构,整个结构包括:LED灯条,驱动板,膜材,导光板,散热块,上框架,背板.背光源采用白光LED,整个结构设计以ActiveArea的中心点为所有部件的设计中心,以液晶电视所用液晶屏的尺寸为前提,设计其它尺寸.综合考虑电路设计及光学设计的要求,对结构进行设计.结构设计先从LAYOUT布局图着手,表达整体机构以及各部件相互之间的装配关系,然后着手零件图结构设计.上框架采用分段式设计,在长度方向上分段,避免长度过长.灯条的出线端设置在背板的四个角处,减少绕线长度.2光学设计背光模组的作用是把点光源发出的光通过漫反射使之成为面光源.为了得到合格的面光源,首先要选择合适的LED,本设计采用的是白光双芯片LED.通过预设白场光度指标,结合对液晶屏,光学膜等影响因素的研究分析,完成对整个背光源所需光通量的计算.根据计算的光通量,结合LED的光学特性计算出所需LED的颗数.表1所示为所选LED的电学及光学特性.表1LED电学及光学特性正向电压,光通量/lm出射材料条件最小最大最小最大角/degOaN3.23.62228.5120120mA为了提高背光源的亮度,膜材结构搭配为:一层扩散片+一层BEF+一层DBEF.其中,扩散片的作用是借扩散物质的折射与反射将光雾化,让射出的光更加均匀;BEF的作用是将光线聚拢,使其垂直进入液晶模块以提高辉度;DBEF是利用原先被传统吸收型偏光片吸收的50%的光线来增加亮度.导光板网点直径为0.541.55mm.图1所示为导光板的部分网点分布图.图1导光板网点分布图3电路设计LED背光源电路设计主要包括灯条设计和驱动控制电路设计,图2所示为整个电路部分的结构框图.Dec.2010,总第119期现代显示AdvancedDisplay41技术交流李秀真:超薄液晶电视用LED背光模组的设计一匦壅r1一t图2电路结构框图3.1灯条设计光源采用双芯片白光LED,灯条分布在背光源的四周.为了达到更好的电流均一性,灯条采用串并混联,实行两并多串.为了取得更好的散热效果,LED灯条采用铝基板加工制作.整个系统输入电压为24V,此电压由外部电源转换器提供.3.2驱动控制电路设计驱动芯片是三路峰值电流模式PWM控制器,通过闭环控制输出电流提供高精度LED电流.该芯片包含三个峰值电流模式控制器,给IC提供反馈,以确保更高效率和更高精度.芯片上的栅极驱动器进行了优化,用来驱动0.25A源电流或0.5A沉电流的逻辑电平FET,每个输出电流可通过线性或PWM调光方法进行单独调光.该芯片的闭环系统能动态调节它的输出电压,以适应LED电流的线路和负载调整.单一封装内集成的三路驱动器保证了每串间有更好的电流匹配,同时降低了整个系统的芯片数量.具有40V线性稳压器,提供5V电源给IC供电,三个转换器的开关频率由内部振荡器控制,三路有120.的相位差,以降低输入电流波纹.高压驱动,电流匹配度良好.LED串间电流精度为2%,支持线性和PWM调光.图3PWM波形图(D=75%)3.3散热设计由于LED的光效较低,工作时会产生大量的热量,如果不解决散热问题,会导致LED发光亮度的衰减和使用寿命的缩短.为了抑制LED产生的热量影响背光模组的辉度和色度,就要对LED进行散热设计.为了达到更好的散热效果,将LED阵列焊接在铝基板上(MCPCB),铝基板比普通的PCB(FR4材质的PCB)散热效果要好很多倍.在铝基板下面,设计了长条形的散热块.在散热块和灯条之间贴敷导热双面胶,并用螺钉固定铝基板和散热块.在背光源的四周热量聚积地带,贴敷带保护膜的导热片.为了降低热阻,在LED焊盘上加导热过孔.这样,减少了PCB板垂直于热流方向的截面积,从而减少了顶层和底层之间的热阻而加强了LED灯热量的传导.最后,依靠电视机壳里的空气对流将热量散掉.4测试结果及结论本文所设计的液晶电视用超薄LED背光源为侧光式结构,光源采用白光LED.图4所示为组装后的LED背光源,厚度为9.9mm.利用BM一7进行九点测试,中心辉度为5,500nit,亮度均齐性为82%,色彩还原性达到95%CIE1976.背光源整体功率为150W,其中LED功耗为135W,驱动电路效率达90%.背光系统的驱动电路属于高压驱动,电路简单,电流一致性良好.5结论本文设计了一款大尺寸超薄液晶电视用LED背光源,中心亮度达到5,500nit,整体背光源功率为150W,亮度均齐度为82%.整机厚度为9.9mm,达到业内领先水平.本文设计的背光源已通过信赖性测试,为量产打下了基础.参考文献张成功.LED背光源驱动及光学设计技术研究ID】.中国海洋大学学位论文,2009年6月.【2l黄启智.LCD显示器的背光技术分析及应用【N1.漳州职业技术学院,2008年1月.【31王大巍,王刚,李俊峰,刘敬伟.薄膜晶体管液晶显示器件的制造,测试与技术发展【M】.机械工业出版社.【4】刘敬伟,张丽蕾,万丽芳等.大尺寸液晶电视用LED背光(下转第49页)42现代显示AdvancedDisplayDec.2010,总第119期范伟等:反射型硅基液晶显示模式比度以及工艺制作的难易程度是衡量的标准.参考文献代永平.LCOS微显示技术【J】.液晶与显示,2009,24(4),P.471-477.【2】YuFeihong,WangQian.DesignandFabricationofreflectivenematicdisplayswithonlyonepolarizerJ.光子,2000.8,vo1.29No.8,P.692-700.【3】WuST,YangD-K.ReflectiveLiquidCrystalDisplays【J】.Johnwiley&Sons,2001.【4】K.H.Yang.ASelf-CompensatedTwistedNematicModefor.ReflectiveLightValves【J1.Euro-Display96,1996,P.499.【5】SonehamT,0kumuraO.ANewtwistednematicECB(TNECB)modelforareflectivelightvalve【J1.JapanDisplay89,1989,P.192195.【6】J.Chen,F.H.Yu,S.T.Tang,H.C.Huang.H.S.Kwok.NewoptimizedreflectiveLCDmodesfordirect-viewandprojectiondisplays【J】.SID97DIGEST,1997,P.639-641.f7】Y.Saitoh,Y.Yoshida.H.Kamiya.ReflectivetwistednematicmodecolorTFTLCDpanel【J】.SID97DIGEST.1997,P.651-654.【8】K.H,Yang.MinhuaLu.Twistednematicmodesforliquidcrystalonsiliconprojectors【JJ.proceed.ofSPIE3296,PrectionDisplayIV,1998,P.126-135.【9】FredericKahn.ElectricFieldlnducedOrientationalDeformationofNematicLiquidCrystals:TunableBirefringence【J1.App1.Phys.Lett.20,1972,P.199-201.f1O】刘会剐,耿卫东,高丕涛等.LCoS伽马校正电路的研究.半导体光电,2009,30(6):954961.作者简介:范伟(1970一),男,籍贯湖北武汉,毕业于美国北弗吉尼亚大学,目前就职于深圳市力伟数码技术有限公司,主要研究方向为微电子学,Emaif:o(上接第42页)(a)背光源正面图4组