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LED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。
   　　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，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Active Area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UⅣOUT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1 LED电学及光学特性
   
   　　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0.54～1.55mm.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。
   
   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O.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lC供电，三个转换器的开关频率由内部振荡器控制，三路有1200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4-2％，支持线性和PWM调光。
   
    图3 PW_M_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
   　　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％@CIE 1976。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。
   
   图4 组装后的背光源
   　　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。