侧光式LED液晶电视背光模组设计原理何胜斌精.docx
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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
ElectronicSci.＆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,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1007－7820（201203－097－04
DesignoftheLEDEdge-litLCDTVBacklightModule
HEShengbin
（ManagersOffice,ShenzhenMtcCo.,Ltd,Shenzhen518026,China
Abstract
Asakeyfactorinthedesign,theLCDTVbacklightmoduleisexperiencingatransformationfrom
theLCDmoduletotheLEDmoduleandfromsmallsizeLEDmoduletolargesizeLEDmodule．WhatisimportantinbacklightdesignishowtotransformtheLEDlightsourceintouniformsurfacelightsourcewhileensuringthenecessa-rylightenergyutilization．Especiallyinthelarge-sizebacklightmodule,eachcomponentofthebacklightmodulemustbeconsideredandcomputedintheearlydesigntoreducecosts．Simulationresultsshowthatthecentralscale≥420cd/m2,thelightuniformity≥76%,andotherindexessuchascolorcoordinator,visualangleandpaintingqualitymeetthedesignrequirement．
Keywords
backlight;LEDlight;LEDguideplate;opticalfilms
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DisplaySearch2010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。
中框采用分
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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
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X1m的光在通过整个光路后的光通量为Xˑ80%ˑ95%ˑ5%=0.038X1m。
将此光通量除以屏幕的面积,再除以π,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3.2.1
LED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1
LED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/（ʎ
条件色坐标GaN
3.2
3.6
16
17
120
I=60mA
0.283,0.297
3.2.2
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ʃ1%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]
（Lightguide是把点光源变成面光源的
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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n1表示空气的折射率n1=1.0,用n2表示丙烯酸树酯的折射率n2=1.49。
在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42ʎ。
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23mm,另端的厚度为0.81.5mm;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,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70ʎ
范围内出光,
＞70ʎ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140
250μm,棱镜间距是24100μm之间,顶角为80ʎ,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
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话,看似急剧变暗,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（BEFBrightnessEnhancementFilm一般厚度在0.10.4mm,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0.10.4mm,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≥80ʎ,上下≥75ʎ,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LightTools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,需要不断的探索下去。
参考文献
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