侧光式LED液晶电视背光模组设计原理何胜斌精.docx

1、侧光式LED液晶电视背光模组设计原理何胜斌精2012年第 25卷第 3期 Electronic Sci. Tech. /Mar.15, 2012电子 电路收稿日期 :2011-10-13作者简介 :何胜斌 (1972 , 男 , 工程师 。 研究方向 :电子 技术 。侧光式 LED 液晶电视背光模组设计原理何胜斌(深圳市兆驰股份有限公司 总经室 , 广东 深圳 518026摘要液晶电视背光模组作为设计的关键 , 正从 LCD 向 LED 模组 、 从小尺寸 LED 向大尺寸 LED 模组转变 。 在LED 模组设计中如何将 LED 点光源转化成均匀的面光源 , 同时保证必要的光能量利用率 ,

2、是背光源设计所面临的两大 议题 。 尤其在大尺寸背光模组中 , 为降低成本 , 需在设计之初 , 对背光模组的各个器件进行整体考虑和计算 。 仿真实验结果证明 , 中心辉度为 420cd /m2; 亮度均匀性 76%; 色坐标 、 视角 、 画质等均符合设计要求 。关键词 LED 背光模组 ; LED 灯珠 ; 导光板 ; 膜片中图分类号TN949. 192文献标识码A文章编号 10077820(2012 0309704Design of the LED Edge-lit LCD TV Backlight ModuleHE Shengbin(Managers Office , Shenzhen

3、 Mtc Co. , Ltd , Shenzhen 518026, China AbstractAs a key factor in the design , the LCD TV backlight module is experiencing a transformation fromthe LCD module to the LED module and from small size LED module to large size LED moduleWhat is important in backlight design is how to transform the LED l

4、ight source into uniform surface light source while ensuring the necessa-ry light energy utilizationEspecially in the large-size backlight module , each component of the backlight module must be considered and computed in the early design to reduce costsSimulation results show that the central scale

5、 420cd /m2, the light uniformity 76%, and other indexes such as color coordinator , visual angle and painting quality meet the design requirementKeywordsbacklight ; LED light ; LED guide plate ; optical films液晶屏1并不能自身显示图像 , 需要在其背后放置一定的发光器件 , 才能清楚地看到 LED 显示屏的内容 。 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器

6、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 、 只 能达到 NTSC 色域的 72%, 并含有对人体有害的汞蒸 气 。 新兴的 LED 背光源色彩还原性好 , 可以达到 NTSC 色域的 104%、 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 , 需利用专门的逆变 器才能驱动 。 而 LED 可以在低电压环境中工作 , 响应 速度快 、 控制较为方便 。 LED 背光源如果通过增加对 比度 、 区域控制等手段 , 性能远优于 CCFL 背光源 。 随着 LED 技术的发展

7、和 LED 芯片的不断成熟 , LED 液 晶电视在市场占有的份额不断扩大 。 根据专业调查机 构 DisplaySearch 2010年发布的分析报告 ,LED 液晶电 视在 2012年将会超过 CCFL 液晶电视 , 并最终取代传统的 CCFL 液晶电视 。1LED 液晶电视的背光方式背光源根据光源位置的不同分为直下式背光源2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到达 扩散板 , 经过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 , 因此整个 模组比较厚 。 侧光式背光源 LED 光源

8、放在侧边 , 发出 的光经过导光板导为面光源 , 侧光式背光结构相对超 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 。2侧光式背光模组的结构形式侧光式超薄结构 , 整个结构包括 :驱动板 、LED 灯 条 、 膜材 、 导光板 、 散热铝条 、 前框 、 中框和后背板 , 如 图 1所示 。背光源采用白光 LED , 整个结构设计以 ActiveArea 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 ,设计其他尺寸 。 综合考虑电路设 计及光学设计的要求 , 对结构进行设计 。

9、 中框采用分79 电子 电路何胜斌 :侧光式 LED 液晶电视背光模组设计原理 图 1侧光式背光模组的结构示意图段式设计 , 避免长度过长 。 灯条的出线端设置在背板 的下面的两个角处 , 减少绕线长度 。3侧光式背光模组的设计要点3. 1整体设计考虑在设计之初 , 需要确定整个液晶模组的设计指标 ,如屏幕的亮度 、 显色性 、 均匀度等 , 并根据这些指标进 行各个部位的设计 。 对于亮度这个最重要指标 , 要考虑液晶屏的透过率 3, 一般为 5% 7%之间 , 其分解 各层透过率 , 如图 2所示 。 图 2液晶屏的透过率示意图 LED 等组成的 LIGHTBAR 发出的光线 , 在经过导

10、光板和底反射片这套光路中约会损失 20%, 在扩散片 中会损失 5%, 液晶面板的透光率是 5% 7%, 这里算作 5%。 那么 , 灯管出射的 X 1m 的光在通过整个光路 后的光通量为 X 80% 95% 5%=0. 038X 1m 。 将 此光通量除以屏幕的面积 , 再除以 , 可以得出这个屏 幕的法向亮度 ,一般较低 , 因此需要考虑并合理的增加 棱镜膜和增亮膜和 LED 灯珠的数量以达到设计要求 的亮度指标 。 3. 2灯条的设计 3. 2. 1LED 灯珠的选择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 。 为得到合格的面光源 , 首先选择合 适的 LED , 设计

11、采用白光双芯片 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所示为某大尺寸液晶电视所选 LED 的电学 及光学特性 。表 1LED 电学及光学特性 材料 正向电压 /V最大 最小 光通量 /LM最大 最小 出射角 /( 条件 色坐标 GaN3. 23. 61617120I =60mA0. 283, 0. 2973. 2. 2驱动控制电路设计一般采用专用的 PWM 控制器驱动芯片 。 这类芯 片通过闭环控制输出电流 , 可以

12、提供高精度 LED 电流 。 输出电流可通过线性或 PWM 调光方法进行单独 调光 , 各路电流输出值的误差偏移可以保证在 1%以内 。3. 2. 3散热设计由于 LED 工作时会产生大量的热量 ,LED 在使用 时有推荐的温度 。 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灰度和色度 , 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 散 热效果要好很多倍 。 在铝基板下面 , 设计了长条形的 散热铝条 。 在散热铝条和灯条之间贴敷

13、导热双面胶 , 并用螺钉固定铝基板和散热铝条 。 3. 3灯条和导光板之间的耦合效率如图 3所示 , 目前导光板 呈 现 越 来 越 薄 的 发 展 趋势 。图 3灯条和导光板之间耦合曲线图3. 4导光板 导光板4(Light guide 是把点光源变成面光源的9 何胜斌 :侧光式 LED 液晶电视背光模组设计原理电子 电路关键变换器件 , 具有把光关在里面而传送的功能 。 导 光板的材料是光学等级的透明丙烯酸树酯 (PMMA 。 光导入导光板以后必须按一定的要求在导光板内部传 播 。 用 n 1表示空气的折射率 n 1=1. 0, 用 n 2表示丙烯 酸树酯的折射率 n 2=1. 49。 在

14、由空气进入丙烯酸树酯 的界面上入射角和反射率的关系是设计的基本依据 。 当入射角在某个角度以上时 , 就不会射出到空气一侧 而形成全反射 , 这个角度叫作临界角 , 经过计算空气对 丙烯酸树酯的临界角约为 42 。导 光 板 一 般 目 前 有 3种 结 构 如 图 4所 示 。图 4(a 为狭窄化方法 , 楔形结构的光导板入光侧的厚 度为 2 3mm , 另端的厚度为 0. 8 1. 5mm ; 图 4(b , 图 4(c 为微结构方法 , 即在导光板上下表面加入一 些锯齿或半圆形之微结构 ; 图 4(d 为扩散点法 , 导光 板所使用的网点制作一般是利用网版印刷方式来印 制 , 这些扩散点

15、是由高反射率且不吸收光颜料所制 成 , 在靠近光源导光板较厚处之扩散点分布密度较疏 而且网点较小 , 远离光源导光板较薄处之扩散点分布 较密且网点较大 , 一般用 LightTools 、 GTools 等软件来 设计 。 图 4导光板不同结构光行进示意图3. 5膜片3. 5. 1白色反射片 主要材料用的是聚脂薄膜 (PET 。 白色反射片置 于导光板的底部和非导光面的端面 , 底部反射片使导 光板散射点产生的扩散光线柔和地向上反射 , 非导光 面的反射片把光线反射回导光板 。 3. 5. 2扩散片扩散片的作用 , 使光扩散 , 提高背光的均匀性 。 主 要材料用的是 PET +PMMA ,

16、下扩的雾度比上扩更高 。 多数情况是扩散片放在导光板的正上方 , 为保护棱镜 片有时也放在发光面的最上面 。 3. 5. 3棱镜膜棱镜膜5的作用就是让分散的光集中在法线 70范围内出光 ,70 射出的光又反射再利用 。 在背光源 上使用一张棱镜膜可以使得光线在一个方向上汇聚 ,具体如图 5所示 。 如果在这张棱镜膜上再叠加一层棱 镜方向与其垂直的棱镜膜 , 光线就可在两个方向得到汇聚 。 两张棱镜膜能够达到的法向增益约为 2, 达到 2I 的法向亮度 。图 5棱镜膜对光线作用示意图棱镜膜是由聚脂和聚碳酸脂制成 , 厚度约为 140250m , 棱镜间距是 24 100m 之间 , 顶角为 80

17、 , 棱 镜的形状各式各样 , 可以是三角形 , 也可以是半圆柱 体形 。棱镜膜的配置和放置位置很重要 。 不同的配置 , 棱镜膜的效率不同 。 把 2片相互垂直的棱镜膜叠加可 以得到更好的正面亮度 。 但也有缺点 :(1 棱镜膜片 一般不能单独使用 , 因为由于其底面是平滑的 , 若直接 放置于导光板上 , 会看见牛顿环图案 , 因此通常把它放 在扩散片上面 。 (2 棱镜面很精细 , 容易擦伤 , 这种伤 痕易在画面上显示 , 导致成品率降低 。 (3 由于聚光 作用会使某些横向光线被切掉 , 所以从某一视角看的99 电子 电路何胜斌 :侧光式 LED 液晶电视背光模组设计原理 话 , 看

18、似急剧变暗 , 而且在其分界线处能看到彩虹图 案 。 从上述几点考虑 , 通常在棱镜膜片上再加一片扩 散片 。 棱镜板虽然提高了亮度 , 同时视角变小了 。 3. 5. 4增亮膜增亮膜 (BEF Brightness Enhancement Film 一般厚 度在 0. 1 0. 4mm , 由 3M 公司使用申请了专利的微 复制技术和多层膜技术生产的光学 BEF 膜系列产品 已经在各种尺寸的液晶显示器件中得到了广泛应用 。 多层光学膜的总厚度为 0. 1 0. 4mm , 其内部复合约 1000层的光学薄膜 , 它的作用是将原本被下偏光片吸 收的 S 偏振光反射回背光源 。 这部分 S 偏振

19、光经过背 光源各层材料的消偏振作用后 , 重新出射 , 经循环利 用 , 最终以 P 偏振光出射下偏光片 。 如此反复利用可 以增加亮度 60%。4运用设计选用奇美一款透过滤为 6. 5%的玻璃进行的 32寸(1寸 =2. 54cm 侧光式 LED 模组设计 , 关键指标要求 :中心辉度 400cd /m2以上 , 亮度均匀性为 75%以上 , 视角左右 80 , 上下 75 , 厚度 13mm , 成本为重要考虑 。 运用以上设计原理 , 通过反复计算 , 用的是下扩 +V 聚 +H 聚复合膜 , 4T 的导光板 , 128颗 4014的 LED 灯珠 。 运用导光板网点设计软件 Light

20、Tools 设计 网点并模拟光学结果 , 能达到设计要求 。 设计出来的 成品如图 6所示 。 生产车间的测试数据表明 , 该 LED模组进行 9点测试 , 中心灰度为 420cd /m2, 亮度均 匀性 76%, 其他指标如色坐标 、 视角 、 画质等都符合 设计要求 。图 6设计 OK 的 32寸侧光式背光模组5结束语通过分析背光模组的各个结构部品 , 结合整体设计要求和相关软件的运用 , 掌握到一般的设计原则 。 实践证明 , 熟悉材料的性能和熟练运用好设计原则才 能设计出性价比优的产品 。 液晶电视在不断的技术更 新和发展 , 对背光模组的设计改进和创新会一直是技术人员的重要课题 ,

21、需要不断的探索下去 。 参考文献1田民波 , 叶锋 TFT 液晶显示原理与技术 M 北京 :科学 出版社 ,20102梁萌 , 王国宏 , 范曼宁 , 等 LCD TV 用直下式 LED 背光源的光学设计 J 液晶与显示 , 2007(1 :42463王大巍 , 王刚 , 李俊峰 , 等 薄膜晶体管液晶显示器件的制造 、测试与技术发展 M 北京 :机械工业出版社 , 20074黄翀 , 姜言森 , 沈奕 , 等 侧光式 LED 背光源的导光板网点设计 J 应用光学 , 2008, 29(5 :2902915谢洪波 , 李保安 , 徐爱国 , 等 液晶背光组中棱镜膜结构参数影响显示效果的模拟分析

22、与验证 J 液晶与显示 , 2008, 23(5 :檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪 549524(上接第 96页 参考文献1IntellonSSCP485hardware design reference M America :Intellon , 20092IntellonSSCP485PL transceiver ic technical date sheet M America :Intellon , 20093康甜 电力线载波技术在油井监测中的应用研究 D 长春 :长春理工大学 ,20054HALID H , ABDELFATTEH H , RALF L宽带电力线通信网络设计 M 北京 :人民邮电出版社 , 20085沈连丰 , 叶芝 慧 信息论与编 码 M 北京 :科 学 出 版 社 ,檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪2004欢 迎 投 稿投稿请登录 :www. dianzikeji. org1