基于一种低功耗的LED背光结构设计

1　引言

自从欧盟施行了RoHS标准，以消除在欧盟成员国销售的电子产品中的铅、镉、汞、六价铬、多溴联苯和多溴联苯醚等物质以后，以汞作为主要成份的冷阴极荧光管（CCFL）注定将逐渐退出历史舞台。同时，绿色环保的LED亮度的提高，促使LED背光技术得到了极大的发展。LED背光凭借着色域广、工作电压低、响应时间短等优点，已呈现出取代CCFL背光的趋势。在当今低碳环保的主题下，低功耗的LED背光的竞争优势更加明显。

如何实现低功耗是LED背光的主要研究方向之一。LED背光主要由Back Cover、LGP、膜材、Mold Frame、LED　Bar、Bezel和Panel等组成，其能耗主要体现在LED　Bar上。通过合理设计背光结构，挑选适合的膜材搭配，减少LED数量，提高LED的利用效率，可以大幅降低LED背光的功耗。本文设计了一款118cm（47in）LE背光源，通过对背光结构的设计和膜材的筛选，在保证背光亮度和均一度等光学特性的前提下，减少了LED的数量，将背光的功耗控制在了较低水平。

2　LED背光设计

LED背光目前主要分为两种：直下式和侧光式。所谓直下式就是在背光的整个背面全部设计LED灯，通常应用于大尺寸的背光，其优点是亮度和均匀性好，缺点是使用的LED数量较多，发热现象明显；侧光式是在背光的边缘处设计LED灯，通常应用于小尺寸的背光，优点是使用的LED数量少，散热也较好。但随着LED亮度的提高和背光结构的优化，大尺寸LED背光的发展趋势将从直下式逐渐转变为四边侧光式，再到两边侧光式，最后将发展成为一边侧光式。虽然直下式背光的亮度和均一度都好于侧光式，但是侧光式背光的功耗要远远小于直下式。本文设计的118cm（47in）LED背光为上下两边侧光式，上下两边各有两条LED　Bar，每条LED　Bar上有60颗5630－LED，其结构如图1所示（文中Panel透过率设置为恒量）。5630－LED的亮度在2010年1月是571m/W，2010年3季度已经提升到70～751 m／W，预计2011年3季度将提升到83～851m／W。随着LED发光效率的提高，能耗将进一步下降。

图1　侧光式LED　Bar结构图

2.1 膜材筛选

膜材的选择直接决定了LED背光的性能。

为了使用尽可能少的LED而又保持良好的光学特性，本文设计的LED背光选用了1层扩散膜、2层棱镜膜和1层双层增亮膜（DBEF），膜材参数如表1所示。扩散膜可以改变LGP出射的光路，让射出的光更加均匀；还可以隐藏LGP 上的dot，使从正面看不到散射点的影子，扩大视野角，提升辉度。棱镜膜即增亮片，主要利用全反射和折射定律，将分散的光集中于一定角度范围内出射，从而提高该范围内的亮度。DBEF 是本文LED背光模组的关键膜材，可以使整个模组的亮度提升一倍，其工作原理如图2所示。DBEF可以将不能通过下偏光片的光线反射回背光，经背光的二次反射，部分光线又可以通过DBEF和下偏光片出射。经过多次回收和利用，光的透过率得以大幅提高。

表1　膜材参数

图2　DBEF工作原理示意图

2.2 与LED相关间距的设计

对背光的合理设计可以提高LED的利用效率。影响LED利用效率的结构参数主要有3个：

LED之间的距离；LED发光面到LGP入光面之间的距离；LED发光面和LGP入光面两者的垂直距离。如图3所示。只有将三者综合考虑才能最大化LED的利用效率，从而降低功耗。

图3　LED相关间距示意图

2.2.1　LED间距

由于LED是端面发光，图4所示为LED端面发光示意图，整个LED　Bar是不连续的光源，因此，当LED之间的距离过大时，亮度会下降，并且可能产生明暗相间的Hot　Spot现象；当LED之间的距离过近时，虽然亮度得到较大的提高，但需要LED的数量也会增加，导致LED的低利用效率和背光的高功耗。图5是试验得到的LED亮度分布曲线，从图中可以看到，随着LED距离的增大，亮度下降；在LED之间的距离d＞4.35 mm时，还会出现Hot　Spot现象，曲线波动越大说明Hot　Spot越明显。同时LED　Bar的总长度应该小于LGP（1067×604.），所以为了保证LED的亮度以及避免Hot　Spot现象，取LED之间的距离d＝3.35mm。

图4　LED端面发光示意图

图5　LED之间距离与亮度分布曲线

2.2.2 LED发光面到LGP入光面的距离

理论上LED的发光面到LGP的入光面之间的距离越小越好，这样可以充分利用LED所发出的光；但在实际情况中，由于加工精度、不易组装等问题，不可能达到零间距。对LED 发光面到LGP入光面的距离进行试验，得到LED-LGP之间距离与入射效率的拟合曲线，如图6所示。可以看出，入射效率随LED和LGP之间的距离增大而减小，在距离小于0.8 mm时，入射效率降低比较缓慢且在95％以上。因此，考虑到实际加工精度和装配因素，取LED发光面到LGP入光面的距离为0.8 mm。

图6　LED＆LGP距离的入射效率分布曲线

2.2.3 LED发光面和LGP入光面的垂直距离

LED发光面和LGP入光面两者之间的垂直距离通常会被忽略，但如果两者之间的距离过大，也会严重影响入射效率。通过试验发现，两者之间的距离在±0.2mm范围内时，入射效率变化缓慢，且保持在95％左右，所以控制LED发光面和LGP入光面的垂直距离在±0.2mm范围内即可。

图7所示为两者之间的距离与入射效率的关系。

图7　LED＆LGP垂直距离的入射效率分布曲线

3　LED样品测试结果

根据上述关键设计参数和膜材的选取进行样品制作。图8所示为118cm（47in）LED背光源的实物图将样品与同类产品进行了比较，具体测试结果如表2所示。

本文中设计的样品在保证了光学性能的前提下，实现了低功耗的目标，达到了《平板电视能效限定值及能效等级》中规定的一级能耗，产品的厚度和色域也具有一定的优势。

图8　118cm（47in）LED背光源

表2　样品测试结果

4　结论

设计了一款118cm（47in）LED背光，选用1层扩散膜、2层棱镜膜和1层DBEF组成背光模组。

根据试验对影响LED利用效率的相关尺寸进行了优化：LED与LED之间的距离d＝3.35mm，LED发光面到LGP入光面的距离为0.8mm，控制LED发光面和LGP入光面水平中心的距离为±0.2mm。在保证背光光学特性的前提下，尽可能减少了LED的数量，实现了背光的低功耗。
来源；电子工程网