用RGB LED實(shí)現(xiàn)高亮度背光源

       編者按：LCD作為一種被動(dòng)顯示元器件，本身并不能發(fā)光，因此必須要有背光模塊給LCD提供光源。背光源的性能直接決定顯示器的亮度、顏色，以及功耗等主要指標(biāo)。

       目前的背光模組一般使用冷陰極管（CCFL）為光源，包含了紅、綠、藍(lán)等各色光的頻率。CCFL因輝度高、成本低廉、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)被廣泛 的運(yùn)用在平板顯示器上。隨著發(fā)光二極管（LED）亮度的改善，LED背光模組顯示出CCFL無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，如色彩還原性好、壽命長、不含汞、有利于環(huán)境 保護(hù)，這些使其成為LCD背光模組中的研究熱點(diǎn)。

       LED背光模組的設(shè)計(jì)主要包括光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，顯示性能主要表現(xiàn)在亮度、色度、均勻性等方面，但是由于目前LED的電光轉(zhuǎn)換效 率較低，僅10％～15％，因此帶來的熱量問題也顯現(xiàn)了出來，成為背光模組設(shè)計(jì)中必須考慮的一部分。驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)時(shí)需綜合考慮光學(xué)結(jié)構(gòu)和溫度對(duì)性能造成的 偏移，另外合適的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)可改善顯示對(duì)比度并延長LED工作壽命。針對(duì)目前車載、機(jī)載、工業(yè)儀表等顯示設(shè)備的苛刻要求，如高亮度、高均勻性、寬調(diào)光比、高 色度均勻性、嚴(yán)酷環(huán)境適應(yīng)性和亮度可調(diào)等，該類顯示設(shè)備主要集中在中尺寸。本文將結(jié)合這些要求探討RGB LED高亮度背光源的設(shè)計(jì)方案。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)

       目前背光模組結(jié)構(gòu)主要有兩種：側(cè)入式和直下式。由于產(chǎn)品亮度和熱量的高要求，優(yōu)選采取直下式背光結(jié)構(gòu)。通過采用大功率RGB LED發(fā)出的光復(fù)合產(chǎn)生白光，R、G、B三色LED分開封裝，使三色LED的電路得以獨(dú)立，便于反饋電路作電流調(diào)整，以保證背光模組產(chǎn)生穩(wěn)定的白光光源。

       光源發(fā)出的光經(jīng)過光學(xué)腔（腔壁采用高效漫反射片）混合后，再經(jīng)過各種必要的光學(xué)膜片后，得到屏前（FOS）要求亮度。光學(xué)膜片一般包括擴(kuò)散板（diffuser）、集光片（BEF）、增亮片（DBEF）、TFT屏和減反層等，如圖1所示。

1 光學(xué)設(shè)計(jì)

       顯示模組的基本光學(xué)性質(zhì)為屏前的白光色度、最高亮度及均勻性等。在背光系統(tǒng)里面，增亮片、集光片、擴(kuò)散板、底反射片及LED（R、G、B） 均稱為光學(xué)元件，具有各自的光學(xué)性質(zhì)，這些性質(zhì)是光學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)的重要參數(shù)。LED光源發(fā)出的光經(jīng)過各層膜片及TFT時(shí)都發(fā)生了一定的變化。知道了這些參數(shù) 后，就可以根據(jù)需求亮度和產(chǎn)品基本尺寸，按式（1）估算（lambertian型LED）背光所需的總光通量。

ΦLED=LFOS/ηLCD*A*2π*(1-cosφ1/2) /∏Ti                      （1）

       式（1）中ΦLED為光通量，LFOS為屏前亮度，ηLCD為TFT透過率，A為TFT有效顯示面積，φ1/2為 （BEF與diffuser之間）亮度峰值的50％時(shí)的偏軸視角；∏Ti為各背光膜片亮度增益乘積。以 6.4英寸顯示模組為例，要求亮度為1000nit時(shí)，所需光通量總計(jì)約750lm。

       接下來，必須把計(jì)算的總光通量分別分配到R、G、B三基色LED中，設(shè)計(jì)分配方案時(shí)，需要考慮的參數(shù)為產(chǎn)品白光色度要求（需根據(jù)經(jīng)驗(yàn)考慮光 學(xué)組件的色度偏移），及三基色色坐標(biāo)（CIE1931），并按式(2)進(jìn)行估算。 

     式(2）中ΦR、ΦG、ΦB為所需三基色LED的光通量，xR、yR、xG、yG、xB、yB 、xW、yw為三基色LED和要求白光的CIE1931色坐標(biāo)（三基色LED色度選取時(shí)，應(yīng)先參考與彩膜（CF）的透射光譜匹配，再經(jīng)視覺函數(shù)校正），分 別取主波長625nm、530nm、470nm，經(jīng)估算后取ΦR145lm、ΦG500lm、ΦB105lm。

       現(xiàn)在，可以根據(jù)LED的規(guī)格（光效）大致計(jì)算出單色LED的工作電流和個(gè)數(shù)。以6.4英寸（4×5）背光為例，選取額定功率均 約為1W（大功率的LED要求芯片面積增加，這樣會(huì)出現(xiàn)電流密度不均勻，會(huì)造成整體效率下降，產(chǎn)生較高熱量）的三基色LED，經(jīng)估算，決定采用RGGBB 方案，共6組，總共采用30顆LED。

       最后，背光模組光學(xué)設(shè)計(jì)要做的是，保證混光的均勻性。在這里，我們采取底部均勻分組分布的排列形式（2×3），根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，背光 腔高度大于15mm，均勻性可達(dá)80％。如果想進(jìn)一步改善均勻度和結(jié)構(gòu)厚度，可參考如圖2所示的“植入地板架”設(shè)計(jì)。

2 熱設(shè)計(jì)

       LED工作時(shí)會(huì)發(fā)出大量的熱，如果不解決散熱問題，會(huì)導(dǎo)致發(fā)光亮度減弱和使用壽命的衰減。特別注意的是，溫度對(duì)亮度的影響是線性的，而對(duì)壽命的影響呈指數(shù)性。如式(3)所示，可以根據(jù)光通量和發(fā)光效率估算出背光模組的功耗。
Pi＝Φi*(Vfi0*Ii0)/Φ0        (3）

       式(3）中，i為R、G、B，Vfi0、Ii0、Φ0為LED典型的正向電壓、電流和光通量。經(jīng)初步估算，總的功率Pt（∑Pi）約為24W。

       LED陣列一般焊接在金屬核心的印刷電路板（MCPCB）上，再通過散熱片向環(huán)境散熱，其散熱模型如圖3所示。

      MCPCB比過去的FR4 PCB散熱效果好，但MCPCB的介電層卻沒有太好的熱傳導(dǎo)率，為了改善這一情形，提出了絕緣金屬基板（IMS）改善法，進(jìn)一步提高了熱傳導(dǎo)率。新型陶瓷 基的熱傳導(dǎo)率更是達(dá)到24170W/m·K。此外，還可以通過外部空氣對(duì)流的形式進(jìn)一步加強(qiáng)散熱。

       分別對(duì)RGB三色LED作溫度校正后，為了達(dá)到設(shè)定的亮度，設(shè)計(jì)選用的LED驅(qū)動(dòng)電流分別為：IR=220mA，IG=280mA，IB=270mA。

驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)


       在滿足應(yīng)用要求的同時(shí)，為了使背光模塊能夠更好地工作，系統(tǒng)應(yīng)包括過壓欠壓保護(hù)、冗余設(shè)計(jì)、亮度控制、高溫保護(hù)、色溫控制，以及通過外部風(fēng)扇加快空氣對(duì)流達(dá)到散熱要求等幾部分，如圖4所示。

1 LED驅(qū)動(dòng)

       目前可用來驅(qū)動(dòng)大功率LED的IC很多，如國半的LM3402、奧地利微電子的AS3691和Supertex的HV9911等。考慮到設(shè) 計(jì)要求的驅(qū)動(dòng)電流較大，為了保證每組的LED穩(wěn)定工作，采用奧地利微電子的AS3691來驅(qū)動(dòng)。該IC的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、高效穩(wěn)定。AS3691對(duì)于 RGB LED驅(qū)動(dòng)的供電是每路分開供電的，每串的最大電流在400mA，電流精度在±0.5%。在調(diào)光方面，AS3691內(nèi)部的PWM調(diào)光功能能 夠快速的PWM調(diào)光反應(yīng)，為了提高背光亮度調(diào)節(jié)的精度，利用MCU產(chǎn)生的PWM功能來實(shí)現(xiàn)，調(diào)光等級(jí)可達(dá)到256級(jí)。圖5是RGB LED驅(qū)動(dòng)電路原理示意圖。

2 背光源亮度控制設(shè)計(jì)

       對(duì)于背光源的亮度控制主要有兩種方法：通過光感應(yīng)器件采集光的亮度值反饋給MCU；MCU通過處理PWM改變背光源亮度；通過客戶輸入亮度指令改變背光源亮度。

       在設(shè)計(jì)光感應(yīng)器件采集光亮度時(shí)，可以通過光感應(yīng)器采集到光信號(hào)轉(zhuǎn)化成模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)給MCU，根據(jù)這些信號(hào)PWM做出一定的處理，以達(dá) 到改變背光源亮度的目的；在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)時(shí)，必須有一定的通信方式與主機(jī)通信，客戶可以通過這些通信方式輸入不同的背光亮度指令以得到不同的背光源亮度。

3 高溫保護(hù)電路

       為了更好地適應(yīng)高溫工作，保護(hù)元器件，除使用鋁基板散熱外，還可以設(shè)計(jì)高溫保護(hù)電路和外部風(fēng)扇控制電路。高溫保護(hù)電路可以利用NTC熱敏電 阻的特性——當(dāng)它處于不同溫度環(huán)境時(shí)，其阻值不同的特性。利用運(yùn)放，將熱敏電阻在不同溫度環(huán)境下的輸出電流轉(zhuǎn)換成電壓值，輸入到 MCU的I/O口，根據(jù)程序設(shè)定的過溫保護(hù)值，判斷是否超出其范圍，如果超出規(guī)定值時(shí)，單片機(jī)通過改變PWM方波的占空比，調(diào)節(jié)輸出到LED的電流，使 LED的功率降低，轉(zhuǎn)化的熱量變少，溫度降低。低于安全溫度后，再增加輸出的電流，使LED亮度變亮，如果采樣的溫度再次比安全溫度高，就重復(fù)以上的過 程。

       同時(shí)當(dāng)溫度高于安全溫度時(shí)， MCU的控制風(fēng)扇I/O輸出相應(yīng)的電平，使風(fēng)扇工作，以加強(qiáng)空氣對(duì)流，起到散熱的目的，這個(gè)控制也隨著是否高于設(shè)定的安全溫度不斷循環(huán)工作。

4 色溫控制設(shè)計(jì)

       為了把背光源的色坐標(biāo)控制在某一范圍內(nèi)，方案中可以采用色度感應(yīng)器。色感應(yīng)器采集的R、G、B信號(hào)輸出給MCU的I/O，這些信號(hào)與MCU 內(nèi)對(duì)應(yīng)的程序設(shè)定值比較，如果超出設(shè)定值，就會(huì)分別調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)的PWM信號(hào)，使色坐標(biāo)在規(guī)定范圍內(nèi)。由于不同膜系會(huì)對(duì)光譜造成不同的影響，所以透過色溫控制 實(shí)現(xiàn)背光源的色溫在某一范圍內(nèi)與實(shí)際測量的色坐標(biāo)范圍會(huì)有一定的差異，所以在使用時(shí)一定要校正。這個(gè)控制過程也隨著背光源的色坐標(biāo)是否超出規(guī)定值不斷循環(huán) 工作。

總結(jié)

       本文以設(shè)計(jì)高亮度RGB LED背光模塊為例，闡述在用RGB LED設(shè)計(jì)高亮度背光源過程中需要考慮的問題，著重對(duì)RGB LED背光模塊中高亮度的實(shí)現(xiàn)、散熱問題的處理以及背光源的驅(qū)動(dòng)和亮度、色溫控制等方面進(jìn)行了分析，為設(shè)計(jì)背光源提供一定的參考。