TFT_LCD用高亮度LED背光系统的设计

收稿日期:2008-03-18　第一作者　王丽萍　女　35岁　助理工程师
TF T 2L CD 用高亮度L ED 背光系统的设计
王丽萍　范峰岩
(国营大众机械厂,山西太原030024)
摘　要:用白光L ED 作为TFT 2LCD 背光光源,在光学腔设计中,利用传统的CCFL 背光系统模式,采用将点光源转变成线光源的光学设计与导光板设计合二为一的理念,在导光板上设计扩光区进行光学优化。

设计了可应用于15″的TFT 2LCD 的L ED 侧式背光系统。

其有效亮度可达1000cd/m 2;亮度均匀性和光利用率分别达到86%和73%。

关键词:L ED ;TFT 2LCD ;背光系统;扩光区;高亮度中图分类号:TN873.93 文献标识码0　引言
发光二极管(L ED )由于其寿命长、驱动电压低、小型化和节能前景等优点,已应用于诸多电子产品领域。

近年来鉴于白光L ED 的诸多优点,其技术取得了显著进展,当前白光
L ED 利用In G aN 蓝色L ED 芯片和黄色荧光体组合是制作
白光L ED 的主流方案。

随着人们对In G aN 蓝光材料的深入研究,利用发蓝光的In G aN 半导体芯片和荧光体(如发黄光的Y A G:Ce 体系)组合制备白光L ED 取得了巨大的进步。

液晶显示器使用L ED 背光源已成为发展趋势,相比传统背光源冷阴极荧光灯(CCFL )而言,它的优点在于高亮度、白点位置可调、即时色彩管理、发光效率高、高色彩饱和度、高动态对比度及环保无汞(此项优点为未来重点优势)。

与
CCFL 背光相比,L ED 背光的色彩重现度可以达到N TSC 标
准的105%。

而一般CCFL 灯管,仅能提供N TSC 标准的
72%。

因而采用L ED 背光源,LCD 器件色彩更加鲜艳。

本文提出了一种利用白光L ED 作为TFT 2LCD 背光源的结构,采用光学腔进行导光,设计了应用于TFT 2LCD 显示器的大功率L ED 侧式高亮度背光系统。

1　L ED 侧式背光系统结构组成
该背光系统结构如图1所示,它主要有:L ED 单元、散热装置、光学腔三部分组成,其中出于功率及散热方面的考虑设计了两个L ED 单元。

图1　背光系统结构示意图
2　L ED 单元模块设计
L ED 单元包括:L ED 阵列及驱动电路。

本文设计中,采用双L ED 阵列,上下各一个阵列边光照
明,每个L ED 阵列由60个白光L ED 组成,每2个一组串联在一起,分为30列并行连接。

L ED 阵列焊接在金属核心的印刷电路板上,再通过铝基板散热装置向环境散热,其结构模型如图2所示。

图2　L ED 背光散热模型
由于L ED 的发光亮度和电流成正比,因此为了尽可能得到均匀的亮度,必须尽可能保证每个L ED 的驱动电流相等。

为此选用了专用L E D 驱动芯片ZX LD1360,该芯片的特点是:功率密度高,能处理高达24W 的输出功率;效率高达95%;
工作温度范围宽(-40℃到125℃
)。

具体电路如图3所示
:图3　L ED 背光驱动电路
ZXLD1360内部的PWM 调光功能能实现快速的PWM
调光反应,为了提高背光亮度调节的精度,利用MCU 产生的PWM 功能来实现,PWM 控制信号加在ADJ 引脚上,调
整输出电流,从而实现L ED 背光亮度在0～1000cd/m 2之间调节,调光等级可达到256级。

另外内置PWM 滤波器可通过控制输入/输出电流的上升实现软启动功能。

利用外部电容器还可以进一步延长软启动时间。

只要在ADJ 引脚加上
山西电子技术
2008年第5期
应用实践
低电压,即可关掉输出,将器件设置在低电流待机模式下。

3　光学腔的设计及优化
光学腔由导光板、反射片、棱镜片、扩散片等构成,它的主要作用是将L ED 发出的光均匀地导入液晶面板。

液晶显示器的光学特性好坏直接取决于光学腔的设计是否合理。

导光板的基本原理是利用光线在平行板中的全反射,从而将线光源展开为一个面光源。

由于发光二级管所放射的光是点光源,有一定的扩散角度,如果直接将发光二极管所放射的光导入导光板会使得背光模组不易达到均匀出光,其中以发光二极管发光的扩散角度区域内呈现亮带及边缘呈现暗带为其常见问题。

所以在光学腔设计中,首先要解决该问题。

3.1　L ED 输入光光路优化设计
目前解决方式主要有:导光板上的扩散网点设计成以发光二极管为中心的同心圆方式布置,或者利用光学透镜将发光二极管的发光角度扩大,或者另外增加一组光学组件使多颗L ED 所发射的光转变成近似线光源的特性。

在本设计中,综合考虑设计成本及技术等多方面的因素,采用将L ED 点光源转变成线光源的光学组件放入导光板一起设计的理念,即将点光源转变成线光源的光学设计与导光板设计合二为一。

将导光板向外延伸5mm 作为扩光区,在扩光区设计两排半圆形平凸孔来进行两次的扩光作用,将L ED 发出的点光源转变为线光源输出。

其结构如图4所示。

以图4结构来分析,15″LCD 导光板宽度约为320.4mm ,每颗L ED 经5mm 扩光区其发光范围必须涵盖10.8mm ,导光板材质为PMMA ,其折射率约为1.49。

首先在L ED 入光处
设计一个半圆形平凸孔,其半径为为0.4mm ,将L ED 置于孔的中心位置,让L ED 所放射的光经由此半圆形平凸孔就可以涵盖10.8mm 的范围,然而经第一次扩光区后的光能量依然呈现集中且分布不均的现象,于是我们在扩光区中再进行第二次扩光作用的设计,让经第二次扩光作用后的光离开扩光区时亦可涵盖10.8mm 的范围。

如此一来进入导光板的光是经两次扩光作用相互叠成,形成极为近似CCFL 的线性光源。

图4　5mm 扩光区设计示意图
3.2　光学腔设计模拟结果分析
我们所用L ED 光源光功率为0.4W ,导光板两侧各60颗。

15″LCD 导光板尺寸为320.4×4.6×242.3mm 。

L ED 入光处第一排半圆形平凸孔主要目的是让L ED 直接入射进入导光板扩散区,减少光的反射而降低入光量,且亦有扩光作用。

扩散区第二排半圆形平凸孔作为第二次的扩光作用,为了了解第二排平凸孔半径大小与位置关系我们直接以数值来进行仿真。

第二排平凸孔半径大小由0.8mm 改变至
2.0mm ,而位置由导光板距离入光处1.0mm 改变至
3.0mm
的范围进行亮度平均差异的数值仿真分析,其亮度平均差异值结果如图六所示,由图可知,当第二扩光平凸孔其半径大小为1.0mm 且位置距z 方向距离为1.3mm 时,其亮度平均差异值为最小,其发光特性最接近性线光源,因此我们选择半径大小为1.0mm 且位置在1.3mm
时设计第二扩光平凸孔。

图5　L ED 经扩光区作用后之光分布特性曲线图
我们再以Tracepro 仿真L ED 光经由导光板前端5mm 的扩光作用区后其光能量的分布情形,如图五所示。

由图五可知,L ED 输出光的线性均匀度已达94.3%以上,极近似
CCFL 的出光特性。

4　结论
利用120个0.4W 的大功率白光L ED 作为15″的TFT 2
LCD 显示器的侧式背光系统背光源,采用光学腔进行导光,
(下转第60页)
3
5第5期 王丽萍,等:TF T 2LCD 用高亮度L ED 背光系统的设计
图10　下位机软件流程图
3　结论
本无线遥控系统的核心是用单片机通信系统实现二次
编解码,确保了准确性、稳定性,用户可根据需要对每一路电器的编号及工作方式进行灵活设置,实现无线遥控电器的开关或档位调节,也可对可燃气体泄露进行声光报警。

系统贴近于生活、设置灵活,只需在程序上稍作改动就可应用在其它场合,有较高的实用价值。

参考文献
[1]　李建忠.片机原理及应用[M ].西安:西安电子科技大
学出版社,2003.6.
[2]　周亮,陈新.信息论与编码[M ].北京:电子工业出版
社,2003.9.
[3]　俊峰,薛鸿德.现代遥控技术及应用[M ].北京:人民邮
电出版社,2005.9.
[4]　吴文佳.PT2262/PT2272编解码IC 在无线智能报警系
统中的应用[J ].世界电子元器件,2004(2).
Design of Wireless Multi 2Line R emote Controller B ased on Secondary Coding
Li Wei 2qin Sun Xiao 2ling
(Southwest Pet roleum U niversity ,Chengdu Sichuan 610500,China )
Abstract :This system is mainly controlled by the chip of A T89C51.In order to improve the accuracy of remote control ,the data
that are transmitted via radio carrier are encoded and decoded twice.S o that the system can remotely control the 14roads of electric appliances accurately even from a distance longer than 12meters.The system has many advantages such as easy usage ,flexible instal 2lation ,low power consumption ,high security and easy expansion etc.Besides ,it also has the function of combustible gas alarm.
K ey w ords :A T89C51;encoded and decoded twice ;radio carrier
(上接第53页)将L ED 阵列发出的白光经过扩光区进行光学设计后导入到液晶面板;其亮度可达1000cd/m 2,其亮度均匀性和光效率分别达到86%和73%。

在光学腔的设计中采用了由导光板前端5mm 平凸孔结构的扩光作用,成功地将L ED 的点光源转成线光源,结果证明我们的设计简洁,导光板亦有较好的线性出光特性。

为导光板运用传统的以CCFL 为主网点设计提供了可能,避免了
L ED 点光源设计的困难度,同时也省去外加光学组件的组
装困难度及降低了制造成本。

参考文献
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[2]　王文根,李瑛.用于TFT 2LCD 的大功率L ED 侧式背光
系统[J ].液晶与显示,2006(3).
Design of High 2Bright L ED B L U for TFT 2LCD
Wang Li 2ping Fan Feng 2yan
(Da Zhong M achinery Plant ,Taiyuan S hanxi 030024,China )
Abstract :The paper uses white L EDs as TFT 2LCD backlight source.In the designing of optical cavity ,it uses the traditional CCFL backlight system model and adopts the idea of combination between optical design and guide light design that transferring point light to line 2type light to make the optics optimized with the design of light extension area on the guide light plate.It also designs the L ED side 2backlight system that can be applied to 15inch TFT 2LCD.Its valid brightness is up to 1000cd/m 2.The brightness uni 2formity and optical efficiency in this lighting system are 86%and 73%.
K ey w ords :L ED ;TFT 2LCD ;backlight system ;light extension area ;high brightness
06 山　西　电　子　技　术 2008年。