直下式LED背光源的設計與實現

背光源實際方案及達到的技術效果。并通過對一款47in LED背光源的設計和制作。進行了詳細的闡述。測試結果為中心亮度11，230nits、整體功耗178W 、均勻度96.26%、色彩還原性達到NTSC標準的128.15%.遠遠超過了CCFL背光源的70%.

　　引 言

　　液晶顯示器主要由LCD（液晶面板）和背光源組成。因為LCD本身不發光，所以LCD需要通過外部光源實現透射或者反射顯示?，F有的LCD大多數是帶有背光源的透射型器件，背光源的發光特性將直接影響到LCD顯示器件的畫面品質，因此，背光源是液晶顯示器非常重要的組成部件。

　　價格低廉，技術成熟的CCFL（冷陰極燈光管）仍是現有液晶顯示器件背光源的主要光源。但LED（發光二極管）作為顯示器件應用的領域也越來越廣，尤其是在液晶電視的功能越來越強，結構越來越美觀的形勢下，LED應用于液晶電視的各個部分，并在迅速的更新，高亮度、高品質、多功能是目前新產品的一個主要目的。

　　LED背光源目前大致可以分為直下式和側光式兩種。直下式是在液晶顯示器的整個背面全部設計LED燈：側光式是在液晶顯示器的邊緣設計LED燈。一般情況下，在30in以上的大尺寸液晶電視中應用直下式背光源，30in以下則可用側光式背光源。

　　本文所設計的直下式LED背光源，尺寸為47in，內容涉及了背光源結構和電路設計，包括對LED燈的排布進行設計，這些基于電路板來實現。同時，電路板的尺寸、形狀、元器件安排則根據背光源的結構來確定。安裝完電路板之后，再在上面蓋上所需的光學膜材，并安裝各種構件，以組裝成一個完整的背光源。

　　1 與CCFL技術的對比分析

　　1.1 CCFL的特點

　　CCFL是填充了惰性氣體的密封玻璃管，當在管上加高電壓時，氣體電離產生紫外（UV）光，UV光激勵內部磷光粉涂層，產生可見光。

　　CCFL具有的特點包括白光源、低成本、長壽命（大于25，000小時）、高電壓驅動、含有有毒氣體汞。

　　目前，以CCFL作為背光源是液晶電視的主流。但是CCFL存在一個本質的缺點，即能夠達到的色域（即電視機的色彩表現范圍）較小，普通的CCFL一般只能夠達到NTSC（美國國家電視系統委員會）色域標準的72% ，而且它含有汞這種有毒氣體，不符合綠色環保的要求。

　　1.2 LED的特點

　　LED作為新的發光源有很多優點，例如節能、環保、尺寸小、反應快速、壽命長等。

　　LED作為背光源最顯著的優點是可以提供前所未有的色彩還原性，通過選擇合適短波長的LED和與之相配的彩膜，LED背光源的色彩還原范圍可以達到美國國家電視系統委員會標準的105% ，甚至可以達到1 20% 以上。在畫質上，LED背光源顯示得更加鮮艷和明亮。

　　但是LED也有一些缺點，首先是價格，在大尺寸范圍內，LED背光源的價格是CCFL背光源的3~5倍左右：其次是發光效率，目前商用的LED發光效率最高的約為60~801m/W ，而CCFL的發光效率約為80~1001m/W ;最后就是散熱，對于大尺寸的背光源來說，LED工作時會散發出大量的熱。

　　不過隨著技術的發展，LED的不足正在逐步改善：

　　1）發光效率。由于CCFL是圓柱形，它所發出的光是無方向性的。當它放在LCD屏幕下方時，盡管采用半圓形反光鏡，仍然有相當多的一部分光被浪費掉了。而LED通常采用側光輻射，它的光能比較有效地被利用。因此從總體來看，它的效率仍然比CCFL要高，而且LED的發光效率還在逐年提高；2）動態背光技術的提出，不僅解決了散熱問題，而且還得到了亮度均勻、降低功耗等一系列的好處。

　　2 LED背光源的設計

　　本文設計了一臺47in的LED背光源。由于背光源所需要的亮度較大，使用的LED數目很多，所以采用直下式背光源結構。

　　在進行LED背光源設計的時候，首先要做的就是對LED進行選擇，針對液晶屏上使用的彩膜選擇適合的LED，再進行電路設計。本設計采用的是小功率、RGB三色的LED。

　　如圖1所示，電路板上由LED燈組、連接器、電路芯片、安裝孔組成。其中每個LED燈組是由R、G、B三顆不同顏色的LED燈組成，LED燈組為一個發光單元，如圖2所示。

　　圖1 LED燈條（1.電路板：2.綠色LED;3.紅色LED;4.藍色LED;5.連接器；6.電路芯片；7.安裝孔）

　　圖2 LED 燈組

　　由于背光源是一種均勻的面光源，采用LED作為發光器件，就必須計算好LED之間的距離，即圖2中表示出的d ，這樣才能夠更有效地混光、混色，不產生光斑。本設計是采用RBG三顆LED燈，呈三角形分布，d1=6mm，對于47in的背光源，共使用了1，008個這樣的單元，以42×24矩陣。

　　根據色溫和亮度的計算，設計LED的電流為紅色23mA、綠色55mA、藍色40mA.每個單元進行單獨驅動，采用恒流驅動方式，驅動芯片采用德州儀器（T1）的TLC5941。

　　由原理圖3可以看出，電源電路給TCL5941芯片提供電源的同時給LED燈組提供點亮電壓。控制信號給TCL5941提供控制信號，TCL5941根據接收到的控制信號的要求對LED的亮度進行控制。

　　圖3 驅動電路原理圖

　　具體的電路圖如圖4、5、6所示，這里需要說明的是，所有的圖紙都是用Altium Designer6軟件繪制。

　　圖4 電源電路圖

　　圖5 TCL5941電路圖

　　圖6 控制電路圖

3 制 作

　　電路板安裝在背光源的鋁背板上，安裝情況如圖7所示。在電路板上鋪上底反板，底反板的顏色為白色，有利于反光。

　　圖7 電路板的整體安裝

　　連接器是LED用來和背面的電路板進行電路連接的，它的管腳根據LED單元來確定。電路板的材料可以根據散熱要求制定，為了更好的散熱，圖中電路飯采用的是鋁基電路板，電路板的形狀根據安裝要求沒計，顏色采用白色，利于LED混光。

　　在電路板上面覆蓋光學膜材，再固定上框架。其中電路芯片一部分在LED燈的電路板邊緣，一部分左背板的后面。電路板上的連接器用來與外面的驅動芯片相連。具體結構如圖8的結構剖面圖所示。

　　圖8 背光源的整體結構圖

　　4 結果與測試

　　LED點亮后得到了高亮度、效果好的一個背光原，效果實拍對比如圖9所示。

　　圖9 （左）點亮的背光源，（右）未點亮的背光源。

　　加上液晶屏之后與CCFL背光源的測試效果如圖10所示。

　　圖10 （左）LED 背