大尺寸液晶电视用LED背光源的设计与制作

刘敬伟,王 刚,马 丽,张凯亮,张丽蕾,王庆江,万丽芳

(京东方科技集团股份有限公司中央研究院,北京 100016,E2mail:liujingwei@boe.com.cn)

摘 要:设计和制作了一款66cm(26in)液晶电视用LED背光源。模拟出LED的光学分布,以此为基础模拟出LED阵列的光强和颜色分布,得到适合的背光源厚度尺寸。在实际制作中,采用高效的驱动电路对LED阵列进行驱动,利用铝制散热片为背光源提供必须的散热。测试的结果,在整体背光源功耗为150W时,中心亮度达到13390cd/m2,均匀度为84.1%,色彩还原性达到NTSC标准102%,远远超过CCFL背光源的70%。

关 键 词:LED;背光源;液晶电视

1 引  言

由于液晶显示屏本身并不发光,所以为液晶显示器件提供所有光源的背光源扮演着十分重要的角色[1～2]。虽然,由于成本低廉、技术成熟等原因,冷阴极灯管(CCFL)仍将是未来几年内液晶显示器件(LCD)背光源绝对主要的光源。但人们也逐渐认识到CCFL本身存在的若干致命弱点,比如含有对人体有害的汞蒸汽,色彩还原性差等。因此,随着环保意识的提高以及用户对画面质量越来越高的要求,出现了CCFL灯管被其他光源所取代的趋势,这些替代者包括发光二极管(LED)、电极外置荧光灯(EEFL)、场致发光平面光源(ELFlatLamp)和有机电致发光(OLED)[3]等。其中具有环保、色彩还原性好、寿命长等优点的固体光源LED是最被看好的下一代绿色背光光源,被普遍认同为大势所趋[4,5]。

与其他光源相比,LED背光源最显著的优点是可以提供前所未有的色彩还原性。通过选择适当波长的LED和与之相匹配的彩膜,LED背光源的色彩还原范围可以达到美国国家电视系统委员会(NTSC)标准的105%甚至120%以上。相比较而言,传统的阴极射线管(CRT)电视只有85%左右,CCFL背光源的液晶电视更是只有65%～75%。在画质就是生命的显示行业,具有更加鲜艳的色彩将是压倒性的优势。依传统观念而言,液晶显示器尤其是液晶电视,由于色彩和响应速度不如CRT甚至PDP而屡遭诟病,液晶显示器件可以通过瞬间背光闪烁和扫描技术[6],消除普通液晶显示在显示快速移动物体时出现的拖尾模糊现象,画面质量将显著提升,LED纳秒量级的响应速度为上述技术的实现提供了坚实的保证。点阵式的LED背光源可以将整个屏幕分成若干区域,根据显示的影像信号,单独控制每个区域的亮度和颜色,所以影像暗的部分能够做到更暗,亮的部分能够更亮,可以获得超过10000∶1的动态对比度,同时,这种LED背光源比通常用的背光源省电48%左右[7,8]。在使用寿命上,LED可以达到10万小时以上,相当于每天看电视8h,可以看30多年。与CCFL内含有致命的汞蒸汽不同,LED是半导体固体光源,完全是一种理想的绿色光源。综上所述,具有诸多不可比拟之优势的LED背光源必将在不久的将来,成为LCD重要,甚至是主要的背光光源。

虽然LED背光源已然成为国际研究的热点,但是在中国内地的研究才刚刚开始。在与背光源结合最为紧密的液晶面板厂家中,京东方成为中国内地第一个研究和开发出LED背光样品的液晶面板厂家。研发的目标,就是希望在不久的将来能够为业界提供带LED背光源的液晶模组产品。本文设计和制作了一款66cm(26in)液晶电视用LED背光源。模拟出LED的光学分布,以此为基础模拟出LED阵列的光强和颜色分布,得到适合的背光源厚度尺寸。在实际制作中,采用高效的驱动电路对LED阵列进行驱动,利用铝制散热片为背光源提供良好的散热。在整体背光源功耗为150W时,中心亮度达到13390cd/m2,均匀度为84.1%,色彩还原性达到NTSC标准102%,远远超过CCFL背光源的70%。

2 设  计

本文以一款66cmLED背光源为目标进行设计。考虑到背光源所需要的亮度较大,使用LED的数目较多,而且需要大的散热面积,所以采用直下式背光结构。图1是直下式LED背光源示意图,包括一个光学反射腔作为整体结构的支撑、和散热片结合的LED阵列、由扩散板和光学膜组成的背光源出光面,最后和液晶面板构成液晶面板模组。

在设计LED背光源的时候,首先要做的就是对所选用的LED进行光学模拟,即根据LED的说明书,还原出LED的结构模型,再以逼近说明书上的光学分布为目标,确认各项物理(折射率、反射率等)参数。当然,这项工作最好在LED提供商的帮助下完成。本文采用经过特殊光学设计的大功率(～1W)LED作为背光光源。该LED的光学分布呈现如图2所示的马鞍形,顶部发射出的光经过特殊的光学设计后向四周发散,形成和垂直方向呈70°的光轴带,大部分的光集中在光轴带±20°左右的范围内。由于背光源是一种均匀的面光源,相对于普通顶部发射LED,采用这种LED能够更有效地混光和混色,不容易产生灯影光斑,能够有效降低背光源厚度。为使各色LED发出的光能够充分混合,将红绿绿蓝(RG2GB)4颗LED紧密排列在一起成为如图3所示的一个单元。对于66cm背光源,共使用了40个上述单元,以5×8的矩阵进行排列。

LED所发出的光,需要一定的空间完成混色和混光,所以需要确定在保证光学特性的前提下背光源的最小厚度。以LED到扩散板的距离为变量,模拟了出光面的光学特性。不同距离对应的亮度均匀性如图4所示。当距离达到40mm和50mm时,光基本散开,亮度均匀度分别达到89.2%和91.8%。为获得90%以上的理论亮度均匀性,我们选择45mm的距离。同样,在该距离下,模拟结果显示红绿蓝三色也混合均匀。

根据对色温和亮度的计算,设计LED的电流为红色235mA,绿色280mA,蓝色为450mA。将5×8的LED单元阵列分成5×2的4个组,再将各组内每10个红色LED、蓝色LED和绿色LED进行串联。为了高效稳定地驱动每串LED,实验选用了美国国家半导体(NS)公司的LM3478作为驱动器,该芯片是专门为多个大功率LED的驱动而设计的芯片。该芯片为升压控制,输入电压范围为2.97～40V,外挂晶体管开关控制,开关频率可调,输出电流最大可达2A。由于容易产生EMI问题,所以选用与该芯片匹配的电感和电容非常重要。串联LED驱动电路设计原理见图5。

3 制  作

LED的安装如图6所示。为了获得良好的散热性能,将LED安装在金属基印刷电路板(MCPCB)上,然后将MCPCB固定在铝制散热片表面,为了MCPCB和散热器表面良好的平面接触,接触面上均匀地涂敷上厚度小于0.1mm的导热硅脂。硅脂的热导率高达2.9W/(m?K)。

图7是LED背光源的正(a)背(b)面内部结构图。整个LED阵列分成4块,分别安装在4块散热片上。在LED阵列上方是一层抗高温抗紫外的反射膜,上面挖有小孔使LED的发光面能够完全探出。在背光源底部安装有细锥形支柱来支撑出光面上的反射板,这些支撑可以有效地避免散光板因自身重力下凹而导致光场变形。整个内部结构的四壁都同样贴有抗高温和紫外的反射膜,这样就形成一个各面反射的发射腔体。

4 结果与讨论

图8是LED背光源点亮之后,获得的亮度高,颜色均匀性好的出光效果实拍图。利用BM27进行标准13点测试后得到,中心亮度为13390cd/m2,亮度均匀性为84.1%,白色坐标为(0.27,0.24),为高冷色温。此时背光源整体功耗为150W,其中LED阵列消耗138.5W,驱动电路额外消耗11.5W,驱动电路效率高达到92.3%。利用CCD得到整体色坐标分布的均方差值(du′v′)小于0.010,这说明制作的背光源色彩分布比较均匀。

加上液晶屏后,利用色彩分析仪计算得到液晶模组能够达到的色彩还原范围为NTSC102.3%,而带CCFL背光的液晶模组只能达到NTSC70%左右的色彩还原性,如图9所示。LED背光源大大提高了显示器件的色彩还原性。透过屏幕后,液晶模组的中心亮度为710cd/m2,对比度为800∶1。如果中心亮度降为10000cd/m2,LED背光源整体功耗为112W,比CCFL背光源的90W左右略高一些。

LED的发光效率比CCFL低。RGBLED混合成白光后的发光效率只有32lm/W左右,而CCFL的发光效率可以达到60～70lm/W。两者虽然相差近一倍,但由于LED高度的指向性可以获得很高的利用率。相比之下,由于CCFL是四周发光型的,向底部发射的光很大一部分将被吸收掉而不能利用上。虽然目前LED的光效还远不及CCFL,但是LED发展迅速,业界有著名的Haitz规律这样描述,LED的效率几乎每10年就提高20倍,而价格下降到原来的1/10。这样,在2008年左右,LED的效率可能逼近CCFL,加上LED其他出色的性能,LED背光的市场将开始逐步打开。

如果只考察LED背光的色彩表现力,一般都可以达到NTSC120%甚至140%以上,但是由于液晶屏彩膜的限制,液晶模组的色彩还原性只有100%～105%左右,虽然已经远远超过其他形式的显示器,但仍有很大的发展空间。进一步提高色彩表现力,一方面要求面板厂家选择与LED光谱更加匹配的彩膜,另一方面就是直接使用LED作为图像的最终显示光源,基于场序彩色原理的无彩膜技术就是其中方法之一[9,10]。

不管采用何种光源,液晶显示器的对比度一般只有800∶1左右,这主要是因为在液晶像素完全关闭的时候也仍然有漏光产生,尤其在暗室条件下的显示效果很难令人满意。

但一些基于LED背光的新技术可以间接地解决上述一些不足。LED本身是点光源,这对于需要面光源的背光源是不利的,但却非常有利于实现区域亮度和色彩控制技术,以显著提高对比度和降低功耗[7]。区域亮度和色彩调节就是把整个显示区分成若干个部分,通过对视频信号分析,计算出每个区域的辉度值和RGB的组分,对于不同的辉度和颜色的区域,提供不同辉度和颜色的背光。这样就有效地降低了暗场时漏光的问题,得到更加黑的黑色,从而提高了对比度,并大大降低了功耗。香港应研院于2006年开发了一款基于上述技术的81cm(32in)电视,得到10000∶1以上的动态对比度和30%以上的功耗降低[7]。由于功耗的显著降低,散热影响也大大降低,可以最终省掉散热片,减小背光源的厚度。区域的划分可以根据需要来确定,一般最少是4个区域,最多则是RGBLED的组数,即对于每组RGB(或RGGB、RGGBR等)LED单元,都单独进行亮度控制。分组越多,画面质量越好,但计算量也越大,实现越复杂。

此外,我们制作的背光源厚度较厚,整体模组大于60mm(含散热片)。这非常不利于液晶电视的薄型化。这主要是因为采用了大功率LED。采用大功率LED只需要较少数目的LED,所以排布较稀疏,需要混光混色的空间很大,导致背光源厚度增加。采用小功率(<0.3W)或者中功率(0.3～0.5W)的LED可以使背光源的厚度降到30mm以下,而且目前由于中小功率LED的光效要比大功率LED的大,所以很多厂家也在积极研发中小功率LED背光源。但是中小功率LED背光源需要采用上千颗以上的LED,将导致控制电路更加复杂和生产成本提高等问题。目前大功率LED的薄型化技术也在迅速发展,有公司采用导光板或辅助导光板技术可以将LED背光源厚度降到20mm以下[7,11],如果能够借鉴类似小尺寸LED背光的V2Cut导光板技术,则可近省略掉至少一层价格昂贵的增亮膜[12]。此外,大功率LED的封装成本和日后生产成本也相对较低。鉴于各种LED都有各自的特点,所以很多公司在两类技术的研发上都有所投入。

5 结  语

制作了液晶电视用66cmLED背光源。中心亮度达到13390cd/m2,整体背光源功耗为150W时,均匀度为84.1%,色彩还原性达到NTSC标准102%,远远超过CCFL背光源的70%。在下一阶段的开发工作中,将采用一些新技术来改善LED背光源的整体性能。我们相信,在不久的将来,技术成熟的LED背光源将真正能够为千家万户带来更加精彩的视觉享受。