引言

液晶屏自身并不發光，為了可以清楚地看到LED顯示屏的內容，需要一定的白光背光源。背光源是存在于液晶顯示器內部的一個光學組件，由光源和必要的光學輔助組件構成。傳統的背光源采用的是冷陰極熒光燈（CCFL），色彩還原性差，含有對人體有害的汞蒸氣。LED背光源色彩還原性好、壽命長、不含汞、有利于環境保護。就驅動電路而言，傳統的CCFL背光驅動線路十分復雜，要求上千伏特的驅動電壓，利用專門的逆變器才能驅動起來。而LED可以低電壓工作，響應速度快，控制較為方便。近年來LED被逐漸引入到現有的液晶顯示技術中，背光源非常有可能成為下一個被LED壟斷的產業。LED背光源如果通過增加對比度、區域控制等手段，性能要遠遠優于CCFL背光源。目前，LED背光源已經在中小尺寸面板中普及，如手機、數碼相框等，隨著LED技術的發展和LED芯片的不斷成熟，LED液晶電視將可能逐步取代傳統的CCFL液晶電視。

背光源根據光源的位置不同分為直下式背光源和側光式背光源。直下式背光源，直接把LED光源放在出光面下面，光源發出的光經過一段空間距離和擴散板的擴散和混合后，成為面光源發射出來，直下式背光源需要一定的混光距離。而側光式背光結構對超薄化的模塊設計則更具優越性，隨著“超薄風”的刮起，大尺寸超薄側光式LED背光源成為各大電視廠商及上游企業的研究熱點。

1  結構設計

本文所設計的LED背光源是側光式超薄結構，整個結構包括：LED燈條、驅動板、膜材、導光板、散熱塊、上框架、背板。背光源采用白光LED，整個結構設計以Active Area的中心點為所有部件的設計中心，以液晶電視所用液晶屏的尺寸為前提，設計其它尺寸。綜合考慮電路設計及光學設計的要求，對結構進行設計。結構設計先從UⅣOUT布局圖著手，表達整體機構以及各部件相互之間的裝配關系，然后著手零件圖結構設計。上框架采用分段式設計，在長度方向上分段，避免長度過長。燈條的出線端設置在背板的四個角處，減少繞線長度。

2  光學設計

背光模組的作用是把點光源發出的光通過漫反射使之成為面光源。為了得到合格的面光源，首先要選擇合適的LED，本設計采用的是白光雙芯片LED。通過預設白場光度指標，結合對液晶屏、光學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。根據計算的光通量，結合LED的光學特性計算出所需LED的顆數。表1所示為所選LED的電學及光學特性。

表1 LED電學及光學特性



為了提高背光源的亮度，膜材結構搭配為：一層擴散片+一層BEF+一層DBEF。其中，擴散片的作用是借擴散物質的折射與反射將光霧化，讓射出的光更加均勻：BEF的作用是將光線聚攏，使其垂直進入液晶模塊以提高輝度：DBEF是利用原先被傳統吸收型偏光片吸收的50％的光線來增加亮度。導光板網點直徑為0.54～1.55mm.圖1所示為導光板的部分網點分布圖。



圖1 導光板網點分布圖

3  電路設計

LED背光源電路設計主要包括燈條設計和驅動控制電路設計，圖2所示為整個電路部分的結構框圖。



圖2 電路結構框圖

3.1 燈條設計

光源采用雙芯片白光LED，燈條分布在背光源的四周。為了達到更好的電流均一性，燈條采用串并混聯，實行兩并多串。為了取得更好的散熱效果，LED燈條采用鋁基板加工制作。整個系統輸入電壓為24V，此電壓由外部電源轉換器提供。

3.2 驅動控制電路設計

驅動芯片是三路峰值電流模式PWM控制器，通過閉環控制輸出電流提供高精度LED電流。該芯片包含三個峰值電流模式控制器，給IC提供反饋，以確保更高效率和更高精度。芯片上的柵極驅動器進行了優化，用來驅動0.25A源電流或O.5A沉電流的邏輯電平FET，每個輸出電流可通過線性或PWM調光方法進行單獨調光。

該芯片的閉環系統能動態調節它的輸出電壓，以適應LED電流的線路和負載調整。單一封裝內集成的三路驅動器保證了每串間有更好的電流匹配，同時降低了整個系統的芯片數量。具有40V線性穩壓器，提供5V電源給lC供電，三個轉換器的開關頻率由內部振蕩器控制，三路有1200的相位差，以降低輸入電流波紋。高壓驅動，電流匹配度良好。LED串間電流精度為4-2％，支持線性和PWM調光。



圖3 PW_M_波形圖（D=75％）

3.3 散熱設計

由于LED的光效較低，工作時會產生大量的熱量，如果不解決散熱問題，會導致LED發光亮度的衰減和使用壽命的縮短。為了抑制LED產生的熱量影響背光模組的輝度和色度，就要對LED進行散熱設計。

為了達到更好的散熱效果，將LED陣列焊接在鋁基板上（MCPCB），鋁基板比普通的PCB（FR4材質的PCB）散熱效果要好很多倍。在鋁基板下面，設計了長條形的散熱塊。在散熱塊和燈條之間貼敷導熱雙面膠，并用螺釘固定鋁基板和散熱塊。在背光源的四周熱量聚積地帶，貼敷帶保護膜的導熱片。為了降低熱阻，在LED焊盤上加導熱過孔。這樣，減少了PCB板垂直于熱流方向的截面積，從而減少了頂層和底層之間的熱阻而加強了LED燈熱量的傳導。最后，依靠電視機殼里的空氣對流將熱量散掉。

4  測試結果

本文所設計的液晶電視用超薄LED背光源為側光式結構，光源采用白光LED。圖4所示為組裝后的LED背光源，厚度為9.9mm。利用BM一7進行九點測試，中心輝度為5，500nit，亮度均齊性為82％，色彩還原性達到95％@CIE 1976。背光源整體功率為150W，其中LED功耗為135W，驅動電路效率達90％。背光系統的驅動電路屬于高壓驅動，電路簡單，電流一致性良好。



圖4 組裝后的背光源

5  結論

本文設計了一款大尺寸超薄液晶電視用LED背光源，中心亮度達到5，500nit，整體背光源功率為150W，亮度均齊度為82％。整機厚度為9.9mm，達到業內領先水平。本文設計的背光源已通過信賴性測試，為量產打下了基礎。