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低功耗液晶電視LED背光源設計方案

發(fā)布時間:2011-11-29

中心議題:

  • 液晶電視的LED背光設計
  • 液晶電視的LED樣品測試結果分析

解決方案:

  • 膜材的篩選
  • 與LED相關間距的設計


1 引言

如何實現低功耗是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等組成,其能耗主要體現在LED Bar上。通過合理設計背光結構,挑選適合的膜材搭配,減少LED數量,提高LED的利用效率,可以大幅降低LED背光的功耗。本文設計了一款118cm(47in)LE背光源,通過對背光結構的設計和膜材的篩選,在保證背光亮度和均一度等光學特性的前提下,減少了LED的數量,將背光的功耗控制在了較低水平。

2 LED背光設計

LED背光目前主要分為兩種:直下式和側光式。所謂直下式就是在背光的整個背面全部設計LED燈,通常應用于大尺寸的背光,其優(yōu)點是亮度和均勻性好,缺點是使用的LED數量較多,發(fā)熱現象明顯;側光式是在背光的邊緣處設計LED燈,通常應用于小尺寸的背光,優(yōu)點是使用的LED數量少,散熱也較好。但隨著LED亮度的提高和背光結構的優(yōu)化,大尺寸LED背光的發(fā)展趨勢將從直下式逐漸轉變?yōu)樗倪厒裙馐?,再到兩邊側光式,最后將發(fā)展成為一邊側光式。雖然直下式背光的亮度和均一度都好于側光式,但是側光式背光的功耗要遠遠小于直下式。本文設計的118cm(47in)LED背光為上下兩邊側光式,上下兩邊各有兩條LED Bar,每條LED Bar上有60顆5630-LED,其結構如圖1所示(文中Panel透過率設置為恒量)。5630-LED的亮度在2010年1月是571m/W,2010年3季度已經提升到70~751 m/W,預計2011年3季度將提升到83~851m/W。隨著LED發(fā)光效率的提高,能耗將進一步下降。


圖1 側光式LED Bar結構圖

2.1 膜材篩選
膜材的選擇直接決定了LED背光的性能。

為了使用盡可能少的LED而又保持良好的光學特性,本文設計的LED背光選用了1層擴散膜、2層棱鏡膜和1層雙層增亮膜(DBEF),膜材參數如表1所示。擴散膜可以改變LGP出射的光路,讓射出的光更加均勻;還可以隱藏LGP 上的dot,使從正面看不到散射點的影子,擴大視野角,提升輝度。棱鏡膜即增亮片,主要利用全反射和折射定律,將分散的光集中于一定角度范圍內出射,從而提高該范圍內的亮度。DBEF 是本文LED背光模組的關鍵膜材,可以使整個模組的亮度提升一倍,其工作原理如圖2所示。DBEF可以將不能通過下偏光片的光線反射回背光,經背光的二次反射,部分光線又可以通過DBEF和下偏光片出射。經過多次回收和利用,光的透過率得以大幅提高。


表1 膜材參數

圖2 DBEF工作原理示意圖[page]

2.2 與LED相關間距的設計
對背光的合理設計可以提高LED的利用效率。影響LED利用效率的結構參數主要有3個:LED之間的距離;LED發(fā)光面到LGP入光面之間的距離;LED發(fā)光面和LGP入光面兩者的垂直距離。如圖3所示。只有將三者綜合考慮才能最大化LED的利用效率,從而降低功耗。


圖3 LED相關間距示意圖

2.2.1 LED間距
由于LED是端面發(fā)光,圖4所示為LED端面發(fā)光示意圖,整個LED Bar是不連續(xù)的光源,因此,當LED之間的距離過大時,亮度會下降,并且可能產生明暗相間的Hot Spot現象;當LED之間的距離過近時,雖然亮度得到較大的提高,但需要LED的數量也會增加,導致LED的低利用效率和背光的高功耗。圖5是試驗得到的LED亮度分布曲線,從圖中可以看到,隨著LED距離的增大,亮度下降;在LED之間的距離d>4.35 mm時,還會出現Hot Spot現象,曲線波動越大說明Hot Spot越明顯。同時LED Bar的總長度應該小于LGP(1067×604.),所以為了保證LED的亮度以及避免Hot Spot現象,取LED之間的距離d=3.35mm。


圖4 LED端面發(fā)光示意圖


圖5 LED之間距離與亮度分布曲線[page]

2.2.2 LED發(fā)光面到LGP入光面的距離
理論上LED的發(fā)光面到LGP的入光面之間的距離越小越好,這樣可以充分利用LED所發(fā)出的光;但在實際情況中,由于加工精度、不易組裝等問題,不可能達到零間距。對LED 發(fā)光面到LGP入光面的距離進行試驗,得到LED-LGP之間距離與入射效率的擬合曲線,如圖6所示??梢钥闯觯肷湫孰SLED和LGP之間的距離增大而減小,在距離小于0.8 mm時,入射效率降低比較緩慢且在95%以上。因此,考慮到實際加工精度和裝配因素,取LED發(fā)光面到LGP入光面的距離為0.8 mm。


圖6 LED&LGP距離的入射效率分布曲線

2.2.3 LED發(fā)光面和LGP入光面的垂直距離
LED發(fā)光面和LGP入光面兩者之間的垂直距離通常會被忽略,但如果兩者之間的距離過大,也會嚴重影響入射效率。通過試驗發(fā)現,兩者之間的距離在±0.2mm范圍內時,入射效率變化緩慢,且保持在95%左右,所以控制LED發(fā)光面和LGP入光面的垂直距離在±0.2mm范圍內即可。

圖7所示為兩者之間的距離與入射效率的關系。


圖7 LED&LGP垂直距離的入射效率分布曲線

3 LED樣品測試結果

根據上述關鍵設計參數和膜材的選取進行樣品制作。圖8所示為118cm(47in)LED背光源的實物圖將樣品與同類產品進行了比較,具體測試結果如表2所示。

本文中設計的樣品在保證了光學性能的前提下,實現了低功耗的目標,達到了《平板電視能效限定值及能效等級》中規(guī)定的一級能耗,產品的厚度和色域也具有一定的優(yōu)勢。


圖8 118cm(47in)LED背光源

表2 樣品測試結果

4 結論

設計了一款118cm(47in)LED背光,選用1層擴散膜、2層棱鏡膜和1層DBEF組成背光模組。

根據試驗對影響LED利用效率的相關尺寸進行了優(yōu)化:LED與LED之間的距離d=3.35mm,LED發(fā)光面到LGP入光面的距離為0.8mm,控制LED發(fā)光面和LGP入光面水平中心的距離為±0.2mm。在保證背光光學特性的前提下,盡可能減少了LED的數量,實現了背光的低功耗。

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