近年来, 液晶显示技术飞速发展, 作为LCD显示的核心技术之一的背光源技术也得到了很大发展, 无论是在显示器上还是电视上, LCD背光源的产品都迅速得到了普及。2009年LED(发光二极管)背光源技术迈向了成熟阶段。虽然在市场价格上, 用LED 背光源的LCD 产品比用CCFL (冷阴极荧光灯, cold cathodefluo rescent lamps)背光源的LCD 产品贵了不少, 但其良好的画质的确是CCFL背光源的LCD所不可比拟的,仅从肉眼上就可辨别出两者明显的画质差别, 再加上LED 背光源具有色域范围宽、寿命长(长达10 万小时)、亮度调整范围大、低电压工作、节能环保等优点, LED全面取代CCFL的时代已为时不远。
无论将LED作为背光源或照明光源, 根据LED 工作的特性分析, 它工作在恒流条件下是最稳定的[ 1] 。目前对LED供电的电路很多, 笔者仅以一款66 cmLCD显示器的LED 背光源的设计进行分析。
1 LED 背光源的分类
1)直下式背光源
直下式背光源工艺简单, 不需要导光板, LED 阵列置于灯箱底部, 从LED 发出的光经过底面和侧面反射, 再通过表面的扩散板和光学模组均匀射出。直下式背光源的厚度由灯箱底部和散射板的距离决定, 通常厚度越厚, 背光源的光均匀性就越好。在背光源较薄的情况下, 色彩和亮度均匀性就成为直下式背光源的技术关键[ 2] 。LED灯的光场分布类型对背光源的色彩和亮度均匀性起着重要作用, 目前背光源所用LED 灯通常有朗伯型和边发射型两种, 由于边发射型LED 更有利于背光源的光均匀性, 直下式背光源大都采用边发射型LED。
2)侧光式背光源
侧光式背光模块即将点状光源设置在经过特殊设计的导光板侧边作为背光源, 使用LED颗数较少; 而因光源置于导光板侧边, LED受颗数及亮度限制, 仍需将光均匀分散整个平面上时, 会形成当面板面积越大, 光源辉度运用越限因LED背光源放在产品的侧面, 所以后面只需要添加导光板就可将液晶产品的外观厚度做到很薄, 比如索尼的ZX1系列。
本设计仅就LED直下式背光源的应用进行分析。
2 主要技术要求及设计分析
2. 1 显示器相关技术要求
该机使用条件为半户外, 即要求在有房檐的户外、在白天有阳光的情况下可以清楚地看到视频图像。
1) 亮度指标: 800 cd /m2;
2) 对比度: 800!1;
3) 信号输入: AV、VGA;
4) 显示分辨率: 1 024 ? 768;
5) 单次连续工作时间: 20 h;
6) 温度使用范围: - 15 # ~ 45 # , (要求低温- 15 # 时一次启动);
2. 2?? 设计分析
根据相关技术要求分析, 要满足其亮度、连续工作时间和使用温度范围等要求, 需采用LED 作为背光源, 并采用性能优异的开关电源。
1)选用贴片式高亮度LED, 主要技术参数有: 工作标称电压3. 2 V、电流20 mA, 光通量80 lm /W。要达到整机亮度800 cd /m2, 经计算需要1 728颗LED, 根据选用的电源( 24 V )将LED 分为6颗一组进行排列(见图1), 其中R 4为限流电阻。按照288组排列, 行方向54颗, 场方向32颗。需要最大驱动功率为: P = 3.2 V ? 0. 02 A= 110. 59W。
2)由于为小尺寸LCD 显示器, 设计考虑对LED 背光源采用单组电源恒流供电方式。为保证可靠性选用著名的全汉开关电源, 型号为FSP205- 4E01, 其主要电性能参数如表1和表2所示。电源原理图如图2所示。
3)该电源为LCDTV专用电源, 原设计背光源为CCFL供电, 从电路分析看有总功率控制, 组输出电压24 V没有LED背光源所需要的恒流控制电路, 判定该电源不能直接驱动LED, 实验证明, 直接驱动LED 一瞬间, 其输出电流大于LED背光源的需要, LED背光组件即刻发热升温至70 # 以上, 因此必须对该电源进行改造。
1 728颗LED 按照288组排列, 为保证LED 工作的稳定性和可靠性, 设定工作电流为16mA, 需要总电流为: I = 0. 016 A ? 288= 4. 608 A。
增加的恒流控制电路图如图3所示, 设定总电流控制为4. 61 A。电路中R 1为取样电阻, 当通过R 1的电流大于设定电流时(本例为4. 61 A ), R 1两端的电压降接近或达到0. 7 V, PNP三极管BG1将从截止进入到放大状态, 将有部分电流( IC 1 )通过BG1的C、E 极流到R 2、W 和R 3到地, 在R 3和W 的A 点上所形成的电压, 即为TL431( BG2)的控制极电压, 当控制电压接近2. 5 V时, 由TL431的特性可知, 随着其控制电压升高图3?? 恒流控制电路图其输出电压将变低, 将输出端接在稳压开关电源的光电耦合器PC1A 的负端, 即是二极管阴极端, 造成其电流增加, 光电耦合器的输出级( PC1B )所控制的PWMIC 反馈端(第5脚) , IC 将降低其导通时间, 迫使输出电压降低, 致使输出电流减小。无论由于LED随温度的变化致使的电流的变化、还是输入电压的变化致使的电流变化, 都将通过所增设的恒流电路进行有效地控制。
3 结论
测试结果: 显示器亮度为810 cd /m2, 总电流为4. 61A, 供电电压从24 V 调节为19. 2~ 19. 4 V, LED 背光源的总功率为88. 5~ 89. 5W, 温升最大为20 # , 实测低温启动为零下18 # 。完全满足设计要求。LED作为LCD的背光源的恒流电路很多, 其中使用较多的是用24 V (稳压)直流供电, 在负载( LED)回路上增设一种直流恒流电路, 如图4所示。其中恒流电路工作在直流状态, 在稳定电压的情况下, 为保证LED 的工作电流, 把多余的电压降在了& 恒流电路?上, 对于为LED提供电能的稳压电源来讲输出是一定的, 多余的电能在&恒流电路上?发热。
本设计仅以一个LED作为LCD的背光源的实际例子论述一种恒流源的应用, 测试结果满足要求。这种应用是通过对电流的取样、反馈去控制的PWM的脉冲宽度来调节输出电压, 进而实现对LED的供电恒定电流的。这种电路是减小输入功率来实现电流控制的, 所以符合节能低耗的国策。
