液晶背光单元LED阵列中对热的考虑

液晶背光单元LED阵列设计中对热的考虑
作者：Bong-Ryeol Park and Ho-Young Cha
电子电气工程学院弘益大学
72-1 号Sangsu 路，麻浦区，汉城，韩国121-791
hcha@hongik.ac.kr
摘要
通过背光单元（BLU）发光二极管（LED）组成阵列的液晶显示器，针对热效应进行了调查。

单一蓝光发光二极管的驱动电源是由液晶面板所需的亮度和距离相邻的LED的间距所确定的。

由于场距离的增加，单个LED需要由上级动力驱动，以保持同样的亮度。

因为LED的交界处温度在LED的性能方面起着重要作用，如光学效率，强度退化的重要作用，以及寿命，所以LED的最大驱动功率应该受限于临界水平交界处的温度。

考虑到了结温的LED背光面板的设计要利用发光二极管阵列的各种参数。

关键词：背光单元；结点温度；发光二极管
1 介绍
高功率LED已经受到照明和显示市场的巨大关注，因为LED的发光效率已上升到适合这些场合的应用水平。

照明应用包括普通照明，大型户外显示屏，交通灯，汽车灯，路灯，显示器面板等。

目前，LED背光技术已经代替标准的冷阴极荧光灯（CCFL）被应用于液晶电视。

在使用上，LED优于CCFL的是背光优越的色域，高亮度和对比度，低电压驱动，快速反应能力，无汞结构，寿命长，瞬间启动，动态背光控制（例如扫描观测，闪烁，和局部调光）等。

特别是动态背光控制，LED有效的减少运动模糊和电力消耗。

但其缺点是效率低，成本高，散热设计和温度依赖性。

然而，LED的效率已经被证实在飞速的提高并且它的成本在不断下降，因为全球LED市场正在迅速扩大。

背光应用的LED照明方法有两种：边缘照明和直接照明。

尽管边缘点亮的LED背光因为高功率LED数量较少而更受市场欢迎，但是亮度和均匀度仍然更具有挑战性，并且需要大量的光通信技术。

在另一方面，直接照明的LED背光，需要更多的LED来提供高的效率和最可能出现的艺术背光。

增加一定间距的LED将提高图像质量和清晰的品质。

在LED阵列中的光效率和可靠性方面，热效管理需要认真加以考虑。

小间距的距离的LED阵列特别受热效影响，尤其是当驱动一个高电压的时候。

交界处的温度通过来自相邻的LED的热效影响将进一步增加，这将加速光降解热效率和更加影响可靠性。

因此，必须保持结温低于临界的平均温度。

在这项研究中，我们进行了LED阵列热的分析，预测交界处的温度，从其中最大动力和亮度的液晶面板，导出在LED阵列中间距距离的函数。

因此该设计的标准即是实现了一个液晶显示器所需的亮度。

2 LED背光设计中热效的考虑
通过使用一个商业软件我们对LED阵列的热效进行了方案分析。

关于LED 的封装和电路板中，一个典型的包裹散热器的封装放置在一个标准的金属芯电路板（MCPCB）槽底中进行了模拟检测。

该MCPCB在本研究中的材料从底部到顶部依次为：基质层（1.02毫米），介电层（0.02毫米），镀铜层（包括0.071毫米）和焊料层（0.254毫米）。

众所周知的是，LED封装和印刷电路板，额外的散热片结构，以及额外的冷却单元驱散了发光二极管产生的热量，从而产生了重要作用。

但是，没有额外的散热片或制冷的单元被纳入模拟当中。

据报道了解，通过LED透出的热的释放仅仅到LED所产生的总热量2％。

因此，大多数热量会通过热消退，并通过印刷电路板所用的基材吸收。

因为它已知的超过90％的总热量是通过传导的方式在一个LED上消退的，只有传导热的方法是为热转移机制的良策，同时考虑对流和辐射的方法就已经被忽略不计了。

模拟不仅需要很长的时间，但也限于计算机的处理能力，来模拟一个大面积的LED，由于网络和复杂性非常大的数字数组。

因此，一个3×3的LED阵列被选为本研究的晶胞对象。

为了测试使用一个3×3阵列，而不是大面积阵列，3× 3，5×5和7×7阵列将首次模拟进行比较，都没有明显的变化是所有观察到的有效性最高结温。

这是因为没有对称的传热的优势，即绝热条件。

该结构定义了LED 封装和3×3的LED阵列，如图1所示。

其中的尺寸参数d是相邻的LED之间的间距距离。

该模拟实验模拟了不同的间距距离进行使用的LED阵列，交界处的温度。

本研究提出了应用LED功率（即连续模式稳态结温）。

模拟了一个具有间距距离函数的最高结温高驱动的LED，如图2（a）所示。

图1 （a）LED封装(b)3×3 LED阵列的PCB板
最高结温是线性比例的LED驱动力。

由于LED间距距离减小，相邻的LED 热的相互影响力变得更强，从而进一步提高了路口温度的有效热的电阻进一步增大。

对于一个单独的LED，并在间距距离作为动力的功能结点温度的基础上，推导出模拟的结果，可表示为：
+
⋅
R
P
R
T
=d
)
=
3.
836
⋅
2531.1-
(
(1)
j
th
th
在结温T j℃是结点温度，P（W）是一个LED的驱动电源，和d（cm）是间距的距离。

R th（℃ / W）是有效热阻作为间距距离函数的因子，图2（b）是热阻图的绘制。

图2 （a）高驱动LED结温与间距距离比（b）有效热阻与间距距离函数一个LED的光降解和使用寿命取决于多种因素的影响，其中驱动电流和结点温度发挥最重要作用。

虽然有高驱动电流，可以产生高亮度的照明，但它会增
加结点温度，从而加速了光降解过程。

结点温度的升高，强调了LED 本身的所使用的光学材料，而且环氧基树脂材料，降低了散热的效率和图像质量。

据报道，造成了临界结点温度为150℃。

因此，这是最重要的设计中的规则，就是要求最大LED 驱动电源必须由150℃ 为临界交界温度。

在这项研究中，我们认为是直接背光照明中的LED 平均分配给彼此在间距外的距离。

衡量一个显示器的标准一般定义为亮度，单位是nits （即cd/m 2）。

针对模拟结果进行了分析，以达到预期的亮度与不同的间距距离。

据报道在文献中提到的之间的比例, 22寸液晶显示器（屏幕面积=0.133m 2）的显示器亮度与LED 的光通量为4.65 nits/lm 。

直接照明的LED 发光二极管和光传输领域的面板为 5％。

2149 lm 的总亮度为500 nits 。

下面我们做一个假设，即4.65 nits 的亮度值是一定的，每一个单位显示面板的面积（lm/cm 2）为所需的显示亮度（nits ）是（2149/1330）•（L/500）=0.00323•L ，其中的L （nits ）是所需亮度值。

现在，在与间距距离数组d （cm ）的LED 驱动电源可以计算到一个给定的LED E （lm/ W ），也就是0.00323•L•d 2•E -1。

还应该指出的是，随着温度的升高交界处也就是结点处的光通量下降。

一般来说，光通量的减少是线性正比于结点温度内的实际温度范围，可表示为：
)25(1025-⋅-=j D C T
T R I I (2)
其中I T 和I 25℃是在结温的强度T j (℃)和25℃，分别与R D 是结点温度有关降解的因素。

因此，为了弥补该路口的温度依赖性，驱动功率P （W ）必须调整：
)]
25(1[00323.02
-⋅-⋅⋅⋅=j D T R E d L P (3) 对于一个单一的LED 驱动力的不断增加，因为占用较少的LED 显示屏面积及间距距离。

由式（1）及（3），可以推导出：
69.0/1)25()]25(1[357.0⎭⎬⎫⎩⎨⎧-⋅-⋅-⋅⋅=L T T R E d j j D (4)
最大间距距离是有限的，对于一个给定的LED ，临界交界处温度T C （即结点温度T j ℃=150℃）和最大驱动力。

这与作为一个LED 的光学效率功能所需的亮度最大间距距离绘制图如图3（a ）。

计算一个最大动力为1.2 W 的一个LED 的结温。

降解因子（R D ）为0.002，临界温度为150℃计算得出结论，而虚线部分最高额定功率是不考虑额定功率最大的。

在这同一过程中，结点温度估计任何组合间距的距离和期望的亮度。

举个例子来说，图3（b ）和（c ），是在LED 阵列中最高结点温度绘制的间距距离的函数和期望的两种不同的光学效率，即50和100 lm/ W 两种情况。

图3 （a）最大间距距离与理想光亮度E功率比
图3（b）结温与间距距离和亮度为E = 50 lm/ W的函数关系
图3 （c）结温与球场距离和亮度为E = 100 lm/ W的函数关系
3 结论
这项研究提供了一个重要的LED背光面板的设计方针，考虑到了结温。

通过使用例如临界结点温度，LED的光学效率，温度及有关降解等因素，从而达到理想的亮度的最大距离。

然而最终的结果不仅取决于这些变量，而且也取决于LED封装和印刷电路板的热阻，当然设计方针过程在这篇论文中也被呈现出来，能够轻松地采用新的输入参数。

致谢
这项工作是由韩国研究基金会，韩国政府（MOEHRD，促进基础研究基金）（KRF- 2008 - 331 - D00297）赞助。

作者感谢东新教授及善先生在探讨与指导上的帮助。