側(cè)光式LED液晶電視背光模組設(shè)計原理-何勝斌(精)

2012年第25卷第3期ElectronicSci.&Tech./Mar.15,2012電子電路收稿日期:2011-10-13作者簡介：何勝斌（1972—,男,工程師。研究方向：電子技術(shù)。側(cè)光式LED液晶電視背光模組設(shè)計原理何勝斌（深圳市兆馳股份有限公司總經(jīng)室,廣東深圳518026液晶電視背光模組作為設(shè)計的關(guān)鍵,正從LCD向LED模組、從小尺寸LED向大尺寸LED模組轉(zhuǎn)變。在LED模組設(shè)計中如何將LED點光源轉(zhuǎn)化成均勻的面光源，同時保證必要的光能量利用率，是背光源設(shè)計所面臨的兩大議題。尤其在大尺寸背光模組中，為降低成本，需在設(shè)計之初，對背光模組的各個器件進(jìn)行整體考慮和計算。仿真實驗結(jié)果證明,中心輝度為＞420cd/m2;亮度均勻性＞76%色坐標(biāo)、視角、畫質(zhì)等均符合設(shè)計要求。關(guān)鍵詞LED背光模組；LED燈珠；導(dǎo)光板；膜片

中圖分類號TN949.192文獻(xiàn)標(biāo)識碼文章編號1007—7820(201203-097—04DesignoftheLEDEdge-litLCDTVBacklightModuleHEShengbin(ManagersOffice,ShenzhenMtcCo.,Ltd,Shenzhen518026,ChinaAbstractAsakeyfactorinthedesign,theLCDTVbacklightmoduleisexperiencingatransformationfromtheLCDmoduletotheLEDmoduleandfromsmallsizeLEDmoduletolargesizeLEDmodule.WhatisimportantinbacklightdesignishowtotransformtheLEDlightsourceintouniformsurfacelightsourcewhileensuringthenecessa-rylightenergyutilization.Especiallyinthelarge-sizebacklightmodule,eachcomponentofthebacklightmodulemustbeconsideredandcomputedintheearlydesigntoreduce>420cd/m2,thelightuniformitycosts.Simulationresultsshowthatthecentralscale76%,andotherindexessuchascolorcoordinator,visualangleandpaintingqualitymeet>420cd/m2,thelightuniformityKeywordsbacklight;LEDlight;LEDguideplate;opticalfilms液晶屏[1]并不能自身顯示圖像，需要在其背后放置一定的發(fā)光器件，才能清楚地看到LED顯示屏的內(nèi)容。背光源是存在于液晶顯示器內(nèi)部的一個光學(xué)組件，由光源和必要的光學(xué)輔助器件構(gòu)成。傳統(tǒng)的背光源采用的是冷陰極熒光燈只能達(dá)到NTSC色域的72%,并含有對人體有害的汞蒸(CCFL,色彩還原性差、氣。新興的LED背光源色彩還原性好,可以達(dá)到NTSC容。背光源是存在于液晶顯示器內(nèi)部的一個光學(xué)組件，由光源和必要的光學(xué)輔助器件構(gòu)成。傳統(tǒng)的背光源采用的是冷陰極熒光燈只能達(dá)到NTSC色域的72%,并含有對人體有害的汞蒸(CCFL,色彩還原性差、氣。新興的LED背光源色彩還原性好,可以達(dá)到NTSC色域的104%、壽命長、不含汞、有利于環(huán)境保護(hù)。就驅(qū)動電路而言，傳統(tǒng)的CCFL背光驅(qū)動線路十分復(fù)雜，要求上千伏特的驅(qū)動電壓，需利用專門的逆變器才能驅(qū)動。而LED可以在低電壓環(huán)境中工作，響應(yīng)速度快、控制較為方便。LED背光源如果通過增加對比度、區(qū)域控制等手段，性能遠(yuǎn)優(yōu)于CCFL背光源。隨著LED技術(shù)的發(fā)展和LED芯片的不斷成熟，LED液晶電視在市場占有的份額不斷擴大。根據(jù)專業(yè)調(diào)查機構(gòu)DisplaySearch2010年發(fā)布的分析報告，LED液晶電視在2012年將會超過CCFL液晶電視，并最終取代傳統(tǒng)的CCFL液晶電視。1LED液晶電視的背光方式背光源根據(jù)光源位置的不同分為直下式背光源[2]和側(cè)光式背光源。直下式背光源：直接把LED光源放在出光面下面，光源發(fā)出的光經(jīng)過一段空間距離到達(dá)擴散板，經(jīng)過擴散板的擴散和混合后，成為面光源發(fā)射出來。直下式背光源需要一定的混光距離，因此整個模組比較厚。側(cè)光式背光源LED光源放在側(cè)邊，發(fā)出的光經(jīng)過導(dǎo)光板導(dǎo)為面光源，側(cè)光式背光結(jié)構(gòu)相對超薄化的模塊設(shè)計則更具優(yōu)越性，隨著超薄風(fēng)”的刮起，大尺寸超薄側(cè)光式LED背光源成為各大電視廠商及上游企業(yè)的研究熱點。2側(cè)光式背光模組的結(jié)構(gòu)形式側(cè)光式超薄結(jié)構(gòu)，整個結(jié)構(gòu)包括：驅(qū)動板、LED燈條、膜材、導(dǎo)光板、散熱鋁條、前框、中框和后背板，如圖1所/示。背光源采用白光LED,整個結(jié)構(gòu)設(shè)計以ActiveArea的中心點為所有部件的設(shè)計中心,以液晶電視所用液晶屏的尺寸為前提，設(shè)計其他尺寸。綜合考慮電路設(shè)計及光學(xué)設(shè)計的要求，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。中框采用分電子電路何勝斌：側(cè)光式LED液晶電視背光模組設(shè)計原理IFI）燈條圖1側(cè)光式背光模組的結(jié)構(gòu)示意圖段式設(shè)計，避免長度過長。燈條的出線端設(shè)置在背板的下面的兩個角處，減少繞線長度。側(cè)光式背光模組的設(shè)計要點3.1整體設(shè)計考慮在設(shè)計之初，需要確定整個液晶模組的設(shè)計指標(biāo)如屏幕的亮度、顯色性、均勻度等，并根據(jù)這些指標(biāo)進(jìn)行各個部位的設(shè)對于亮度這個最重要指標(biāo)，要考慮液晶屏的透過率[3],—般為5%7%之間,其分解各層透過率,如圖2所圖2液晶屏的透過率示意圖fl#販村 Jt弘二丄-fl#販村 Jt弘二丄-R：4tMl■T徘■JMb111怕吐J:LED等組成的LIGHTBAR發(fā)出的光線,在經(jīng)過導(dǎo)光板和底反射片這套光路中約會損失20%,在擴散片中會損失5%,液晶面板的透光率是5%7%,這里算作5%。那么，燈管出射的X1m的光在通過整個光路后的光通量為X?80%?95%?5%=0.038X1m。將此光通量除以屏幕的面積，再除以n可以得出這個屏幕的法向亮度，一般較低，因此需要考慮并合理的增加棱鏡膜和增亮膜和LED燈珠的數(shù)量以達(dá)到設(shè)計要求的亮度指標(biāo)。3.2燈條的設(shè)計3.2.1LED燈珠的選擇背光模組的作用是把點光源發(fā)出的光通過漫反射 使之成為面光源。為得到合格的面光源，首先選擇合適的LED,設(shè)計采用白光雙芯片LED。通過預(yù)設(shè)白場光度指標(biāo)，結(jié)合對液晶屏、光學(xué)膜等影響因素的研究分析，完成對整個背光源所需光通量的計算。根據(jù)計算的光通量,結(jié)合LED的光學(xué)特性計算出所需LED的顆數(shù)。表1所示為某大尺寸液晶電視所選LED的電學(xué)及光學(xué)特性。LED電學(xué)及光學(xué)特性材料正向電壓N最大最小光通量/LM最大最小出射角/(?條件色坐標(biāo)GaN3.23.61617120I=60mA0.283,0.2973.2.2驅(qū)動控制電路設(shè)計一般采用專用的PWM控制器驅(qū)動芯片。這類芯片通過閉環(huán)控制輸出電流，可以提供高精度LED電流。輸出電流可通過線性或PWM調(diào)光方法進(jìn)行單獨調(diào)光，各路電流輸出值的誤差偏移可以保證在?1%以內(nèi)。3.2.3散熱設(shè)計由于LED工作時會產(chǎn)生大量的熱量,LED在使用時有推薦的溫度。如果不解決散熱問題，會導(dǎo)致LED發(fā)光亮度的衰減和使用壽命的縮短。為了抑制LED產(chǎn)生的熱量影響背光模組的灰度和色度，就要對LED進(jìn)行散熱設(shè)計。為了達(dá)到更好的散熱效果,將LED陣列焊接在鋁基板上（MCPCB,鋁基板比普通的PCB散熱效果要好很多倍。在鋁基板下面，設(shè)計了長條形的散熱鋁條。在散熱鋁條和燈條之間貼敷導(dǎo)熱雙面膠，并用螺釘固定鋁基板和散熱鋁條。3.3燈條和導(dǎo)光板之間的耦合效率如圖3所示，目前導(dǎo)光板呈現(xiàn)越來越薄的發(fā)展趨勢。燈條和導(dǎo)光板之間耦合曲線圖3.4導(dǎo)光板導(dǎo)光板[4]（Lightguide是把點光源變成面光源的'匚i 何勝斌：側(cè)光式LED液晶電視背光模組設(shè)計原理電子電路關(guān)鍵變換器件，具有把光關(guān)在里面而傳送的功能。導(dǎo)光板的材料是光學(xué)等級的透明丙烯酸樹酯（PMMA。光導(dǎo)入導(dǎo)光板以后必須按一定的要求在導(dǎo)光板內(nèi)部傳播。用n1表示空氣的折射率n1=1.0,用n2表示丙烯酸樹酯的折射率n2=1.

49。在由空氣進(jìn)入丙烯酸樹酯的界面上入射角和反射率的關(guān)系是設(shè)計的基本依據(jù)。當(dāng)入射角在某個角度以上時，就不會射出到空氣一側(cè)而形成全反射，這個角度叫作臨界角，經(jīng)過計算空氣對丙烯酸樹酯的臨界角約為42?。導(dǎo)光板般目前有導(dǎo)光板般目前有3種結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖4(a為狹窄化方法，楔形結(jié)構(gòu)的光導(dǎo)板入光側(cè)的厚度為23mm,另端的厚度為0.81.5mm;圖4(b,圖4(c為微結(jié)構(gòu)方法,即在導(dǎo)光板上下表面加入一些鋸齒或半圓形之微結(jié)構(gòu)；圖4(d為擴散點法，導(dǎo)光板所使用的網(wǎng)點制作一般是利用網(wǎng)版印刷方式來印制，這些擴散點是由高反射率且不吸收光顏料所制 成，在靠近光源導(dǎo)光板較厚處之?dāng)U散點分布密度較疏而且網(wǎng)點較小，遠(yuǎn)離光源導(dǎo)光板較薄處之?dāng)U散點分布較密且網(wǎng)點較大,一般用LightTools、GTools等軟件來設(shè)計。IIII |'|I III憶節(jié)化抽丄中吃二仁邁路叫的汨利2化詁IIII |'|I III憶節(jié)化抽丄中吃二仁邁路叫的汨利2化詁H；圖4導(dǎo)光板不同結(jié)構(gòu)光行進(jìn)示意圖3.5膜片3.5.1白色反射片主要材料用的是聚脂薄膜（PET0白色反射片置于導(dǎo)光板的底部和非導(dǎo)光面的端面，底部反射片使導(dǎo)光板散射點產(chǎn)生的擴散光線柔和地向上反射，非導(dǎo)光面的反射片把光線反射回導(dǎo)光板。3.5.2擴散片擴散片的作用，使光擴散，提高背光的均勻性。主要材料用的是PET+PMMA,下擴的霧度比上擴更高。多數(shù)情況是擴散片放在導(dǎo)光板的正上方，為保護(hù)棱鏡片有時也放在發(fā)光面的最上面。3.5.3棱鏡膜棱鏡膜的作用就是讓分散的光集中在法線70?范圍內(nèi)出光，>70?射出的光又反射再利用。在背光源上使用一張棱鏡膜可以使得光線在一個方向上匯聚，具體如圖5所示。如果在這張棱鏡膜上再疊加一層棱鏡方向與其垂直的棱鏡膜，光線就可在兩個方向得到匯聚。兩張棱鏡膜能夠達(dá)到的法向增益約為 2,達(dá)到21的法向亮度。棱鏡膜對光線作用示意圖棱鏡膜是由聚脂和聚碳酸脂制成，厚度約為140250卩m棱鏡間距是24100卩之間,頂角為80?,棱鏡的形狀各式各樣,可以是三角形，也可以是半圓柱體形。棱鏡膜的配置和放置位置很重要。不同的配置，棱鏡膜的效率不同。把2片相互垂直的棱鏡膜疊加可以得到更好的正面亮度。但也有缺點:（1棱鏡膜片一般不能單獨使用，因為由于其底面是平滑的，若直接放置于導(dǎo)光板上，會看見牛頓環(huán)圖案，因此通常把它放在擴散片上面。（2棱鏡面很精細(xì)，容易擦傷，這種傷痕易在畫面上顯示，導(dǎo)致成品率降低。（3由于聚光作用會使某些橫向光線被切掉，所以從某一視角看的電子電路何勝斌：側(cè)光式LED液晶電視背光模組設(shè)計原理話,看似急劇變暗，而且在其分界線處能看到彩虹圖 案。從上述幾點考慮，通常在棱鏡膜片上再加一片擴 散片。棱鏡板雖然提高了亮度，同時視角變小了。3.5.4增亮膜增亮膜（BEFBrightnessEnhancementFilm—般厚度在0.10.4mm,由3M公司使用申請了專利的微復(fù)制技術(shù)和多層膜技術(shù)生產(chǎn)的光學(xué)BEF膜系列產(chǎn)品已經(jīng)在各種尺寸的液晶顯示器件中得到了廣泛應(yīng)用 。多層光學(xué)膜的總厚度為0.10.4mm,其內(nèi)部復(fù)合約1000層的光學(xué)薄膜，它的作用是將原本被下偏光片吸收的S偏振光反射回背光源。這部分S偏振光經(jīng)過背光源各層材料的消偏振作用后，重新出射,經(jīng)循環(huán)利用，最終以P偏振光出射下偏光片。如此反復(fù)利用可以增加亮度60%。4運用設(shè)計選用奇美一款透過濾為6.5%的玻璃進(jìn)行的32寸(1寸=2.54cm側(cè)光式LED模組設(shè)計,關(guān)鍵指標(biāo)要求沖心輝度400cd/m2以上,亮度均勻性為75%以上,視角左右＞80?上下＞75?厚度＜13mm成本為重要考慮。運用以上設(shè)計原理，通過反復(fù)計算，用的是下擴+V聚+H聚復(fù)合膜,4T的導(dǎo)光板,128顆4014的LED燈珠。運用導(dǎo)光板網(wǎng)點設(shè)計軟件LightTools設(shè)計網(wǎng)點并模擬光學(xué)結(jié)果，能達(dá)到設(shè)計要求。設(shè)計出來的成品如圖6所示。生產(chǎn)車間的測試數(shù)據(jù)表明,該LED模組進(jìn)行9點測試,中心灰度為＞420cd/m2,亮度均勻性＞,亮度均勻性＞76%其他指標(biāo)如色坐標(biāo)、視角、畫質(zhì)等都符合設(shè)計要求。圖6設(shè)計0K的32寸側(cè)光式背光模組5結(jié)束語通過分析背光模組的各個結(jié)構(gòu)部品，結(jié)合整體設(shè)計要求和相關(guān)軟件的運用，掌握到一般的設(shè)計原則。實踐證明計要求和相關(guān)軟件的運用，掌握到一般的設(shè)計原則。實踐證明，熟悉材料的性能和熟練運用好設(shè)計原則才能設(shè)計出性價比優(yōu)的產(chǎn)品。液晶電視在不斷的技術(shù)更新和發(fā)展，對背光模組的設(shè)計改進(jìn)和創(chuàng)新會一直是技術(shù)人員的重要課題,需要不斷的探索下去。參考文獻(xiàn)[1]田民波,葉鋒.TFT液晶顯示原理與技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社,2010.[2]梁萌,王國宏,范曼寧,等.LCD—TV用直下式LED背光源的光學(xué)設(shè)計[J].液晶與顯示,2007(1:42—46.[3]王大巍,王剛,李俊峰,等.薄膜晶體管液晶顯示器件的制測試與技術(shù)發(fā)展[M].北京：機械工業(yè)出版社,2007.[4]黃翀,姜言森,沈奕,等?側(cè)光式LED背光源的導(dǎo)光板網(wǎng)點設(shè)計[J].應(yīng)用光學(xué)，2008,29(5:290-291.[5]謝洪波，李保安，徐愛國，等.液晶背光組中棱鏡膜結(jié)構(gòu)參數(shù)影響顯示效果的模擬分析與驗證[J]?液晶與顯示,2008,23(5檪檪檪檪檪4缶4缶4缶4缶4缶4缶4缶4缶4缶4缶4缶4缶4缶4缶4缶4缶4缶4缶4缶4缶4缶4缶4缶4缶4缶4缶4缶4缶4