LED背光模组热管理研究

摘要:文章建立了RGB三合一LED背光模组的热分析模型,通过与红外热像仪实际测量得到的温度数据相互比较,验证了该模型仿真结果的准确性.模拟分析的结果表明,在LED阵列底部固定一块镀锌钢板可有效降低LED结温.文章还提出了一种利用最小二乘法原理推算LED结点温度的方法,得到了电路板表面温度与LED结温之间的关系式,有助于通过测量电路板温度估算LED的结点温度,并以此为根据对LED进行亮度和色度的调节.

关键词:LED;背光模组;热管理;数据处理

引言

液晶显示（liquidcrystaldisplay，LCD）经过三十年的发展，已经成为平板显示的主流技术。目前使用的LCD背光模板主要有冷阴极荧光灯（coldcathodefluorescent，CCFL）、电致发光片（electroluminance，EL）和发光二极管（lightemittingdiode，LED）等。与CCFL及EL相比，LED背光具有色纯度高、寿命长、环保、无污染等优点，正逐步成为LCD的主流背光源[1-2]。由RGB彩色LED组成的背光模板色域超过NTSC标准的100%，成为研究热点[3]。但由于三种晶片封装于一个LED中，存在热量过度集中的问题，没有合理的热管理将导致LED背光模板亮度下降、色偏等问题[4]，若一个晶片失效，便无法输出所需的白光。针对这种情况，本文在精确建立RGB三合一LED模型的基础上，对用于液晶显示的三芯片LED背光模块进行了热仿真分析，并建立了电路板表面温度和LED结点温度之间的关系式，这样便可通过测量电路板表面温度估算LED结点温度，为LED背光源亮度和色度的调节提供了依据。

1LED封装

本文选用NICHIA公司的LED，该LED封装有R、G、B三种晶片和六个引脚，

每个芯片可单独控制，LED外形尺寸为3mm×3mm×1.5mm。当背光模块设计亮度为5,000nit、6,500K白光时，R、G、B三种晶片的控制参数如表1所示。

2热仿真分析

单个LED封装模型如图1所示，灌封胶、引线框架、塑封、固晶胶、FR4电路板等材料的导热系数如表2所示，由晶片发出的热量绝大部分通过引线框架传递至FR4板上[5]。由于本次试验中所使用的电路板底部并没有覆铜层，

这样电路板上的过热孔并没有起到将热量传到底部金

属层从而增加散热的作用，

因此在仿真中忽略了过热孔的影响。模拟仿真时设置环境温度为30℃，同时忽略辐射对模型的影响。

分别模拟不同情况下的LED阵列温度分布，并与实际测量得到的数据进行对比。图2绘制了仿真模拟中当占空比为100%时LED阵列的表面温度云图，其中电路板表面温度为93.44℃，芯片最高温度达到115.83℃。

为了验证仿真结果的正确性，采用红外热像仪对背光模组进行了实际测试。为保证仿真结果和测试结果的可比性，背光源进行实际测试时的电压、电流值与模拟仿真时输入的参数完全相同。实际测试时，背光源采用脉宽调制控制（PWM）方法，即通过改变占空比来改变流过LED的电流值。当占空比为100%时，流过LED的电流为20mA，占空比降低到50%时，电流为20mA×50%=10mA，依此类推。图3反映了实际测量中当占空比为100%时LED阵列的表面温度情况，可以看出，灯罩表面的最高温度达到了102.06℃。图4绘制了当占空比从10%调制到100%时，实际测量得到的电路板表面温度变化情况。不同占空比下模拟分析结果与实测结果中电路板表面最高温度的对比如图5所示，从图中可以看出，模拟分析的结果与实测结果的差值较小，其差值可以理解为忽略辐射和过热孔的原因所致。因此，可以认为本文中建立的模型和设置的参数是较为准确的。

从结果可以看出，由于LED阵列直接焊接在普通FR4电路板上，当占空比较高时，LED结点温度过高，会大大降低LED的寿命，增加LED的光衰，同时环氧树脂也会因高温而变色，降低其透光率，发生色衰和色偏现象[6]，因而必须进行合理的热管理。考虑到实际的LCD面板多用镀锌钢板（electro-galvanizedsteel，SECC）作为背光模组的外壳材料，因而本文利用SECC作为散热装置安装在FR4电路板的底部，通过导热硅胶和电路板相连。SECC的厚度为1.5mm，导热系数为120W/M*K，导热硅胶的厚度为0.1mm，导热系数为1W/M*K。图6所示为当占空比为100%时，安装上SECC后的LED阵列模组的表面温度分布情况，可以看出电路板表面最高温度降低到73.19℃，芯片最高温度降低到84.31℃，比未加SECC时的芯片最高温度降低了31.52℃。

3LED结温推算

为了对亮度和色度进行实时调节，同时也为了避免LED结温过高而影响寿命，LED背光模组实际工作时需要根据LED结温对RGB三芯片的驱动电流进行实时控制。很多LED说明书上给出的都是结点温度和相对光输出的关系，而实际工作时无法准确得到LED结温，一般的做法是测量LED封装外壳的温度，并利用方程（1）推算出结点温度。

式中，是LED结点到外壳的热阻，是LED结点温度，是LED外壳温度，P是LED的输入功率。但是，这种计算结点温度的方法有其局限性，首先，结点到外壳的热阻与LED的封装有着密切的关系，不同封装形式的LED灯珠热阻各不相同，并且某些LED封装公司并不具备准确测得热阻的有效方法；其次，随着LED结点温度的上升，芯片的正向电压会减小[7]，这也就使输入功率发生了变化，影响结温计算的准确性。本文在模拟仿真的基础上，利用数值分析的方法，建立起电路板表面温度与结温之间的定量关系式。实际工作时，通过电路板表面的贴片电阻温度传感器测得电路板表面温度之后，通过定量关系式的计算即可得到LED的结点温度。图7绘制了占空比从10%到100%时，电路板表面温度与结点温度的对应曲线。

从图7中的曲线可以看出，当占空比小于80%时，电路板表面温度与结点温度之间近似存在一元线性关系，继续增加占空比，曲线发生明显变化，说明在这种结构下，当电流占空比超过80%时LED的结温过高，使得芯片的特性发生变化。因此，利用误差理论中最小二乘法原理，对电流占空比不超过80%时的情况进行数值分析，可以求出电路板温度与LED结温之间的关系式。

最小二乘法原理是一种在多学科领域中广泛应用的数据处理方法，本文中利用数据处理软件得到电路板表面温度与结点温度之间的拟合方程如式（2）所示，式中，是LED结点温度，是电路板表面温度。

4结论

本文分析了应用于液晶显示的LCD面板背光源设备的LED阵列的热仿真分析，利用红外热像仪测量了不同条件下LED阵列的表面实际温度，以此验证了模拟仿真中模型及参数的可靠性。实测和模拟结果表明，当电流增加时LED的结温上升较大，需要对LED阵列进行散热设计以及亮度和色度的调节。进一步的仿真结果表明，在FR4电路板底部安装SECC板可起到有效的散热效果，使LED结点温度由115.83℃降低至84.31℃。另外，本文提出了一种利用最小二乘法原理计算LED结点温度的方法，得到了电路板表面温度与结温的关系式，通过测量电路板表面温度经过简单计算即可得到结点温度，为亮度和色度的调节提供了依据。