用RGB LED實現高亮度背光源

       編者按：LCD作為一種被動顯示元器件，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。

       目前的背光模組一般使用冷陰極管（CCFL）為光源，包含了紅、綠、藍等各色光的頻率。CCFL因輝度高、成本低廉、技術成熟等優(yōu)點被廣泛 的運用在平板顯示器上。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，如色彩還原性好、壽命長、不含汞、有利于環(huán)境 保護，這些使其成為LCD背光模組中的研究熱點。

       LED背光模組的設計主要包括光學結構設計和驅動電路設計，顯示性能主要表現在亮度、色度、均勻性等方面，但是由于目前LED的電光轉換效 率較低，僅10％～15％，因此帶來的熱量問題也顯現了出來，成為背光模組設計中必須考慮的一部分。驅動電路設計時需綜合考慮光學結構和溫度對性能造成的 偏移，另外合適的驅動設計可改善顯示對比度并延長LED工作壽命。針對目前車載、機載、工業(yè)儀表等顯示設備的苛刻要求，如高亮度、高均勻性、寬調光比、高 色度均勻性、嚴酷環(huán)境適應性和亮度可調等，該類顯示設備主要集中在中尺寸。本文將結合這些要求探討RGB LED高亮度背光源的設計方案。

系統(tǒng)設計

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

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

1 光學設計

       顯示模組的基本光學性質為屏前的白光色度、最高亮度及均勻性等。在背光系統(tǒng)里面，增亮片、集光片、擴散板、底反射片及LED（R、G、B） 均稱為光學元件，具有各自的光學性質，這些性質是光學設計時的重要參數。LED光源發(fā)出的光經過各層膜片及TFT時都發(fā)生了一定的變化。知道了這些參數 后，就可以根據需求亮度和產品基本尺寸，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，所需光通量總計約750lm。

       接下來，必須把計算的總光通量分別分配到R、G、B三基色LED中，設計分配方案時，需要考慮的參數為產品白光色度要求（需根據經驗考慮光 學組件的色度偏移），及三基色色坐標（CIE1931），并按式(2)進行估算。 

     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（三基色LED色度選取時，應先參考與彩膜（CF）的透射光譜匹配，再經視覺函數校正），分 別取主波長625nm、530nm、470nm，經估算后取ΦR145lm、ΦG500lm、ΦB105lm。

       現在，可以根據LED的規(guī)格（光效）大致計算出單色LED的工作電流和個數。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，這樣會出現電流密度不均勻，會造成整體效率下降，產生較高熱量）的三基色LED，經估算，決定采用RGGBB 方案，共6組，總共采用30顆LED。

       最后，背光模組光學設計要做的是，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），根據經驗，背光 腔高度大于15mm，均勻性可達80％。如果想進一步改善均勻度和結構厚度，可參考如圖2所示的“植入地板架”設計。

2 熱設計

       LED工作時會發(fā)出大量的熱，如果不解決散熱問題，會導致發(fā)光亮度減弱和使用壽命的衰減。特別注意的是，溫度對亮度的影響是線性的，而對壽命的影響呈指數性。如式(3)所示，可以根據光通量和發(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率，為了改善這一情形，提出了絕緣金屬基板（IMS）改善法，進一步提高了熱傳導率。新型陶瓷 基的熱傳導率更是達到24170W/m·K。此外，還可以通過外部空氣對流的形式進一步加強散熱。

       分別對RGB三色LED作溫度校正后，為了達到設定的亮度，設計選用的LED驅動電流分別為：IR=220mA，IG=280mA，IB=270mA。

驅動電路設計


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

1 LED驅動

       目前可用來驅動大功率LED的IC很多，如國半的LM3402、奧地利微電子的AS3691和Supertex的HV9911等?？紤]到設 計要求的驅動電流較大，為了保證每組的LED穩(wěn)定工作，采用奧地利微電子的AS3691來驅動。該IC的特點是結構簡單、高效穩(wěn)定。AS3691對于 RGB LED驅動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%。在調光方面，AS3691內部的PWM調光功能能 夠快速的PWM調光反應，為了提高背光亮度調節(jié)的精度，利用MCU產生的PWM功能來實現，調光等級可達到256級。圖5是RGB LED驅動電路原理示意圖。

2 背光源亮度控制設計

       對于背光源的亮度控制主要有兩種方法：通過光感應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。

       在設計光感應器件采集光亮度時，可以通過光感應器采集到光信號轉化成模擬信號或數字信號給MCU，根據這些信號PWM做出一定的處理，以達 到改變背光源亮度的目的；在設計驅動時，必須有一定的通信方式與主機通信，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 高溫保護電路

       為了更好地適應高溫工作，保護元器件，除使用鋁基板散熱外，還可以設計高溫保護電路和外部風扇控制電路。高溫保護電路可以利用NTC熱敏電 阻的特性——當它處于不同溫度環(huán)境時，其阻值不同的特性。利用運放，將熱敏電阻在不同溫度環(huán)境下的輸出電流轉換成電壓值，輸入到 MCU的I/O口，根據程序設定的過溫保護值，判斷是否超出其范圍，如果超出規(guī)定值時，單片機通過改變PWM方波的占空比，調節(jié)輸出到LED的電流，使 LED的功率降低，轉化的熱量變少，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，就重復以上的過 程。

       同時當溫度高于安全溫度時， MCU的控制風扇I/O輸出相應的電平，使風扇工作，以加強空氣對流，起到散熱的目的，這個控制也隨著是否高于設定的安全溫度不斷循環(huán)工作。

4 色溫控制設計

       為了把背光源的色坐標控制在某一范圍內，方案中可以采用色度感應器。色感應器采集的R、G、B信號輸出給MCU的I/O，這些信號與MCU 內對應的程序設定值比較，如果超出設定值，就會分別調節(jié)對應的PWM信號，使色坐標在規(guī)定范圍內。由于不同膜系會對光譜造成不同的影響，所以透過色溫控制 實現背光源的色溫在某一范圍內與實際測量的色坐標范圍會有一定的差異，所以在使用時一定要校正。這個控制過程也隨著背光源的色坐標是否超出規(guī)定值不斷循環(huán) 工作。

總結

       本文以設計高亮度RGB LED背光模塊為例，闡述在用RGB LED設計高亮度背光源過程中需要考慮的問題，著重對RGB LED背光模塊中高亮度的實現、散熱問題的處理以及背光源的驅動和亮度、色溫控制等方面進行了分析，為設計背光源提供一定的參考。