用RGB LED實(shí)現(xiàn)高亮度背光源

          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(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，如色彩還原性好、壽命長(zhǎng)、不含汞、有利于環(huán)境保護(hù)，這些使其成為L(zhǎng)CD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(lái)的熱量問(wèn)題也顯現(xiàn)了出來(lái)，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(zhǎng)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(guò)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(guò)光學(xué)腔（腔壁采用高效漫反射片）混合后，再經(jīng)過(guò)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(guò)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(guò)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(lái)，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(zhǎng)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)。

  MCPCB比過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)驅(qū)動(dòng)大功率LED的IC很多，如國(guó)半的LM3402、奧地利微電子的AS3691和Supertex的HV9911等?？紤]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(lái)驅(qū)動(dòng)。該IC的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(lái)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(guò)光感應(yīng)器件采集光的亮度值反饋給MCU；MCU通過(guò)處理PWM改變背光源亮度；通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(cè)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(guò)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(guò)程中需要考慮的問(wèn)題，著重對(duì)RGB LED背光模塊中高亮度的實(shí)現(xiàn)、散熱問(wèn)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。