直下式LED背光源的设计与实现

    背光源实际方案及达到的技术效果。并通过对一款47in LED背光源的设计和制作。进行了详细的阐述。测试结果为中心亮度11，230nits、整体功耗178W 、均匀度96.26%、色彩还原性达到NTSC标准的128.15%.远远超过了CCFL背光源的70%.

　　引 言

　　液晶显示器主要由LCD（液晶面板）和背光源组成。因为LCD本身不发光，所以LCD需要通过外部光源实现透射或者反射显示。现有的LCD大多数是带有背光源的透射型器件，背光源的发光特性将直接影响到LCD显示器件的画面品质，因此，背光源是液晶显示器非常重要的组成部件。

　　价格低廉，技术成熟的CCFL（冷阴极灯光管）仍是现有液晶显示器件背光源的主要光源。但LED（发光二极管）作为显示器件应用的领域也越来越广，尤其是在液晶电视的功能越来越强，结构越来越美观的形势下，LED应用于液晶电视的各个部分，并在迅速的更新，高亮度、高品质、多功能是目前新产品的一个主要目的。

　　LED背光源目前大致可以分为直下式和侧光式两种。直下式是在液晶显示器的整个背面全部设计LED灯：侧光式是在液晶显示器的边缘设计LED灯。一般情况下，在30in以上的大尺寸液晶电视中应用直下式背光源，30in以下则可用侧光式背光源。

　　本文所设计的直下式LED背光源，尺寸为47in，内容涉及了背光源结构和电路设计，包括对LED灯的排布进行设计，这些基于电路板来实现。同时，电路板的尺寸、形状、元器件安排则根据背光源的结构来确定。安装完电路板之后，再在上面盖上所需的光学膜材，并安装各种构件，以组装成一个完整的背光源。

　　1 与CCFL技术的对比分析

　　1.1 CCFL的特点

　　CCFL是填充了惰性气体的密封玻璃管，当在管上加高电压时，气体电离产生紫外（UV）光，UV光激励内部磷光粉涂层，产生可见光。

　　CCFL具有的特点包括白光源、低成本、长寿命（大于25，000小时）、高电压驱动、含有有毒气体汞。

　　目前，以CCFL作为背光源是液晶电视的主流。但是CCFL存在一个本质的缺点，即能够达到的色域（即电视机的色彩表现范围）较小，普通的CCFL一般只能够达到NTSC（美国国家电视系统委员会）色域标准的72% ，而且它含有汞这种有毒气体，不符合绿色环保的要求。

　　1.2 LED的特点

　　LED作为新的发光源有很多优点，例如节能、环保、尺寸小、反应快速、寿命长等。

　　LED作为背光源最显着的优点是可以提供前所未有的色彩还原性，通过选择合适短波长的LED和与之相配的彩膜，LED背光源的色彩还原范围可以达到美国国家电视系统委员会标准的105% ，甚至可以达到1 20% 以上。在画质上，LED背光源显示得更加鲜艳和明亮。

　　但是LED也有一些缺点，首先是价格，在大尺寸范围内，LED背光源的价格是CCFL背光源的3~5倍左右：其次是发光效率，目前商用的LED发光效率最高的约为60~801m/W ，而CCFL的发光效率约为80~1001m/W ;最后就是散热，对于大尺寸的背光源来说，LED工作时会散发出大量的热。

　　不过随着技术的发展，LED的不足正在逐步改善：

　　1）发光效率。由于CCFL是圆柱形，它所发出的光是无方向性的。当它放在LCD屏幕下方时，尽管采用半圆形反光镜，仍然有相当多的一部分光被浪费掉了。而LED通常采用侧光辐射，它的光能比较有效地被利用。因此从总体来看，它的效率仍然比CCFL要高，而且LED的发光效率还在逐年提高；2）动态背光技术的提出，不仅解决了散热问题，而且还得到了亮度均匀、降低功耗等一系列的好处。

　　2 LED背光源的设计

　　本文设计了一台47in的LED背光源。由于背光源所需要的亮度较大，使用的LED数目很多，所以采用直下式背光源结构。

　　在进行LED背光源设计的时候，首先要做的就是对LED进行选择，针对液晶屏上使用的彩膜选择适合的LED，再进行电路设计。本设计采用的是小功率、RGB三色的LED。

　　如图1所示，电路板上由LED灯组、连接器、电路芯片、安装孔组成。其中每个LED灯组是由R、G、B三颗不同颜色的LED灯组成，LED灯组为一个发光单元，如图2所示。

 

　　

　　图1 LED灯条（1.电路板：2.绿色LED;3.红色LED;4.蓝色LED;5.连接器；6.电路芯片；7.安装孔）

　　

　　图2 LED 灯组

　　由于背光源是一种均匀的面光源，采用LED作为发光器件，就必须计算好LED之间的距离，即图2中表示出的d ，这样才能够更有效地混光、混色，不产生光斑。本设计是采用RBG三颗LED灯，呈三角形分布，d1=6mm，对于47in的背光源，共使用了1，008个这样的单元，以42×24矩阵。

　　根据色温和亮度的计算，设计LED的电流为红色23mA、绿色55mA、蓝色40mA.每个单元进行单独驱动，采用恒流驱动方式，驱动芯片采用德州仪器（T1）的TLC5941。

　　由原理图3可以看出，电源电路给TCL5941芯片提供电源的同时给LED灯组提供点亮电压。控制信号给TCL5941提供控制信号，TCL5941根据接收到的控制信号的要求对LED的亮度进行控制。

　　

　　图3 驱动电路原理图

　　具体的电路图如图4、5、6所示，这里需要说明的是，所有的图纸都是用Altium Designer6软件绘制。

　　

　　图4 电源电路图

　　

　　图5 TCL5941电路图

　　

　　图6 控制电路图

    3 制 作

　　电路板安装在背光源的铝背板上，安装情况如图7所示。在电路板上铺上底反板，底反板的颜色为白色，有利于反光。

　　

　　图7 电路板的整体安装

　　连接器是LED用来和背面的电路板进行电路连接的，它的管脚根据LED单元来确定。电路板的材料可以根据散热要求制定，为了更好的散热，图中电路饭采用的是铝基电路板，电路板的形状根据安装要求没计，颜色采用白色，利于LED混光。

　　在电路板上面覆盖光学膜材，再固定上框架。其中电路芯片一部分在LED灯的电路板边缘，一部分左背板的后面。电路板上的连接器用来与外面的驱动芯片相连。具体结构如图8的结构剖面图所示。

　　

　　图8 背光源的整体结构图

　　4 结果与测试

　　LED点亮后得到了高亮度、效果好的一个背光原，效果实拍对比如图9所示。

 

　　

　　图9 （左）点亮的背光源，（右）未点亮的背光源。

　　加上液晶屏之后与CCFL背光源的测试效果如图10所示。

　　

　　图10 （左）LED 背光源，（右）CCFL背光源。

　　采用9点测试，测试仪器为BM-7.如图11、表1、图12所示。

　　

　　图11 9点测试。

　　表1 背光源光学测试结果

　　

　　

　　图12 通过液晶屏的色彩还原性测试结果。

　　通过测试结果可以看出， 中心亮度达到11，230nits，均匀性达到90%以上，具体为96.26%.

　　还原性达到了128%以上，由于液晶屏表面彩膜的限制，液晶模组的色彩还原性只有10O~105%左右，要想进一步提高色彩表现力，一方面可以选择匹配的彩膜，另一方面就是用LED作为图像的最后总显示光源，另外，基于场序彩色原理的无彩膜技术也是方法之一。

　　5 结论

　　所做的47in LED背光源达到了中心亮度11，230nits、整体功耗178W、均匀度96.26% 、色彩还原性128.15% ，具有很高的性能。LED背光源看上去好像没有什么太复杂的技术，只要把LED点亮就可以，但真正应用到液晶电视中就涉及到很多非常复杂的技术。要研究出适合量产的大尺寸背光源，需要液晶面板厂家、背光源厂家、电视机厂家的共同合作。