采用高亮度LED背光源的液晶顯示模塊

田黎東

（國營七八五廠第三研究所，山西太原 030024）

0 引言

由于傳統(tǒng)LCD顯示設(shè)備上CCFL（Cold Cathode Fluorescent Lamps，冷陰極熒光燈）背光技術(shù)及產(chǎn)品的某些先天不足，例如色域狹窄、能源利用率低及功耗較高和壽命短小等，所以人們一直在尋找著其替代技術(shù)及產(chǎn)品。近幾年來隨著高亮度LED（Light Emitting Diode）不能發(fā)出白光的技術(shù)問題解決之后，為其在顯示領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了根本性的基礎(chǔ)。隨著其驅(qū)動技術(shù)的日趨成熟，高亮度LED背光技術(shù)產(chǎn)品便被納入了人們的選用范疇，開始廣泛應(yīng)用于各種顯示設(shè)備中。

1 高亮度LED背光源液晶顯示模塊結(jié)構(gòu)

液晶模塊的顯示屏采用SHARP的3.8吋液晶屏，整個液晶屏安裝在堅固的金屬機箱內(nèi)，為了進一步降低EMI，顯示區(qū)域用金屬絲網(wǎng)屏蔽玻璃同外部機殼緊密連接，只在背后引出一個插座同主機控制信號和顯示信號連接，這樣形成一個整體的屏蔽外層。

原先SHARP的3.8吋液晶屏采用CCFL（冷陰極燈管）背光源，亮度指標(biāo)為240cd/m2，為了進一步降低EMI，顯示區(qū)域用金屬絲網(wǎng)屏蔽玻璃后，亮度下降了20%，為了使亮度達到指標(biāo)要求（686cd/m2），采用了高亮度LED矩陣安裝在液晶屏背后作為底背光背光源，該背光源用160個高亮度LED按8串10并共2組均勻排列在90mm×64mm的印制板上，印制板采用鋁基板并同外殼緊貼以散熱。用脈寬調(diào)制恒流源控制亮度，達到顯示效果。

2 液晶背光源組件

液晶屏是一種被動顯示單元，必須有背光源才能看見顯示內(nèi)容，目前常用的液晶屏背光源組件主要有CCFL和LED兩種背光源，CCFL是目前采用最多的TFT液晶顯示器驅(qū)動背光源，LED主要用在手機等小型顯示屏背光上，但是近幾年隨著LED不能發(fā)出白光的技術(shù)問題解決之后，為LED在顯示領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了根本性的基礎(chǔ)，LED背光源開始廣泛應(yīng)用于大屏顯示器，而且發(fā)展速度越來越快。

2.1 CCFL燈管和LED燈條性能比較

（1）CCFL燈管工作在600V～1500V的高壓狀態(tài)，產(chǎn)生如此高的電壓需要復(fù)雜的驅(qū)動電路，其輸出的元器件、導(dǎo)線都需要專門的耐高壓材料，為避免放電，對印制板布線也有較高的要求;LED工作在低壓直流狀態(tài)安全性能好。

（2）LED燈條色域更廣，色飽和度可做到105%以上，因此色彩更鮮艷，而CCFL則較窄只能做到75%，LED響應(yīng)速度更快（ns級）可以解決LCD顯示過程中的拖尾現(xiàn)象，而CCFL響應(yīng)速度為ms級，用CCFL做背光源的LCD顯示器一大缺陷是“黑屏”不黑，如果采用LED做背光源則可以很好地解決這一問題，因為它的調(diào)光范圍更寬更穩(wěn)定。

（3）LED溫度特性更好，在-40℃ ～+100℃均可正常工作，而CCFL低溫亮度低，長時間工作壽命下降快，低溫啟動電壓超過常溫的1.5倍，并且CCFL在高溫工作下光衰明顯。

（4）由于LED背光源采用貼片焊接，其抗振性能優(yōu)于CCFL背光源。

（5）理論上LED壽命可達10萬小時以上，而CCFL通常在2萬～5萬小時。

（6）節(jié)能環(huán)保，能耗比冷陰極背光源低52%，并且沒有冷陰極管的汞污染。LED是半導(dǎo)體通電發(fā)光，沒有電磁輻射，對人體無害。

以上性能優(yōu)點決定了LED背光源在技術(shù)上是冷陰極背光源的替代產(chǎn)品。

3 電路圖及原理

3.1 LED工作原理及恒流源的選擇［1］

為了使LED導(dǎo)通而流過電流，就必須給LED加上足夠的電壓，這個電壓就是LED的正向電壓VF，通常白色LED的正向電壓約為3V～4V，其具體數(shù)值因制造廠及環(huán)境的不同而有差別，因而LED不適合用恒壓驅(qū)動，如果加在LED上的電壓超過正向電壓，則流過LED的電流會急劇增加，過大的電流會造成LED損壞或短壽，因此LED應(yīng)采用恒流驅(qū)動，使電流不超過其額定電流，由于LED發(fā)光隨著電流不同，光譜也不同，電流變化發(fā)光的顏色也會出現(xiàn)明顯的差異，這樣若采用改變電流來調(diào)光，則不能保證發(fā)光顏色的一致，因此最好的辦法是采用PWM（脈寬調(diào)制）調(diào)光，利用人眼視覺暫留效應(yīng)，只要高于某一頻率的電流驅(qū)動LED其平均亮度就會讓人感覺不到閃爍，使得PWM調(diào)光成為可能，為了最大限度發(fā)揮LED的特長需要選擇合適的驅(qū)動電路使LED能均勻地發(fā)光且發(fā)光效率最高。

根據(jù)上述條件我們選用NS公司的LM2733芯片作為恒流源為LED供電，該芯片是開關(guān)型的穩(wěn)壓器，它屬于電流模式的升壓型的DC-DC變換器。它的內(nèi)部含有一個耐壓達到40V、低導(dǎo)通電阻的DMOS場效應(yīng)晶體管開關(guān)，能夠使變換后的輸出電壓達到16V以上。同時，該穩(wěn)壓器還具有關(guān)斷（shutdown）功能，能夠有效地減小電路的靜態(tài)電流，內(nèi)部的熱保護模塊和過流模塊為穩(wěn)壓器提供保護過熱和限流保護。穩(wěn)壓器具有以下的特性:開關(guān)頻率固定（有1.6MHz和0.6MHz兩種）、低導(dǎo)通電阻的Dmos開關(guān)管開關(guān)電流可以達到1A，具有很寬的輸入電壓范圍，輸入電壓可以從2.7V～14V。在關(guān)斷模式下的靜態(tài)電流低至1μA，內(nèi)部的補償電路可以減少外圍電路元件的數(shù)量。該穩(wěn)壓器采用SOT-23封裝，同時外圍采用小電容和電感可以有效地減小PCB板的面積。將工作電壓變換為與VF對應(yīng)的電壓，向LED提供穩(wěn)定的電流，并受外部PWM調(diào)光信號的控制，使該恒流作高速通斷，這樣既達到技術(shù)要求的亮度，又可通過PWM調(diào)節(jié)亮度。

3.2 LM2733的典型應(yīng)用電路［2］

圖1 典型應(yīng)用電路

圖1為LM2733的典型應(yīng)用電路圖，輸入的電壓由VIN輸入，設(shè)定輸出電壓由于在穩(wěn)定時FB引腳的電壓由帶隙基準電壓源設(shè)定為1.23V，所以輸出電壓V=*（R1+R2）。OUT根據(jù)通常R2取12kΩ以使得分壓電阻的電流為100μA，R1的取值可以按照上述的VOUT的計算公式來計算。

3.3 背光驅(qū)動及原理

本顯示器背光板采用直下式背光，160個LED按8串10并共2組均勻排列在90mm×64mm的印制板上。恒流源一組電路圖如圖2所示，共兩組。

（1）當(dāng)MOSFET打開時，12V從L1流過MOSFET到地，即引腳SW接通到地，D2截止，L1根據(jù)指數(shù)曲線儲能，L1的儲能不會流向C2。

（2）當(dāng)MOSFET關(guān)閉時，L1的電流從D1流到C2，由于L1的電流不能突變，根據(jù)U=I*R（R為從D2-LED-R3的總電阻），因此會產(chǎn)生一個高于12V很多的電壓，根據(jù)公式

8個LED串聯(lián)，每個按3.2V算Vout=25.6V，R2取12kΩ。根據(jù)上述公式計算出R1=240kΩ

圖2 恒流源電路圖

（3）流過R3的電流形成反饋電壓給FB引腳，從而調(diào)整脈寬，達到穩(wěn)定輸出的目的。

SHDN引腳接VIN時內(nèi)部以固定頻率1.6MHz開關(guān)，接地時輸出為0，本電路接控制電路的脈寬調(diào)制信號（PWM）來控制輸出脈沖的大小，從而改變LED的亮度。

反饋電阻R3在這里起的就是限流作用，F(xiàn)B引腳在SHDN為高時（此時即 PWM脈寬為最大時）始終保持1.23V，取R3=8.2Ω即流過LED的電流為（1.23+0.4）/8.2約為198mA。由于10路并聯(lián)，所以每一路（8個串聯(lián)）的LED最大電流為20mA。所有的LED加在一起總功耗為0.02×3.2×160=10.24W。此時外接穩(wěn)壓電源12V的輸出電流為 0.98A，除去芯片自身功耗 50mA，可得效率為10.24/（12×0.93）=0.91。

這是一個相當(dāng)高的效率，盡管電流降了很多，但此時的顯示模塊仍達到了800 cd/m2，完全達到了顯示器指標(biāo)要求。

4 設(shè)計中的注意事項［2］

（1）由于160個LED發(fā)光管焊接在很小的印制板上發(fā)光必然造成溫升，而溫升越高效率越低，因此必須要采取一些散熱處理和功率限制。為了散熱，LED背光印制板采用了鋁基板制造，并和外殼緊密結(jié)合，使顯示器內(nèi)部的熱量能夠?qū)У酵獠俊?/p>

（2）二極管應(yīng)該選用肖特基二極管，外圍電容器最好選擇多層的陶瓷電容器，對于高頻的開關(guān)型轉(zhuǎn)換器來說，陶瓷電容器具有最低的等效串聯(lián)電阻和最高的諧振頻率。輸入電容器C1有助于減小輸入端的紋波，通常我們可以選擇2.2μF的陶瓷電容（選擇較大的容值電容器也可以）。對于大部分的應(yīng)用來說輸出電容器C2的取值可以選擇47μF。所有的外圍器件應(yīng)該盡可能地靠近LM2733，推薦使用4層的PCB板，采用內(nèi)部的地線層。因為C2和D1上的寄生電感將會增加噪聲，所以L1，D2和C2之間的連線應(yīng)該盡可能的短。反饋元件R1，R2，R3應(yīng)該盡可能的靠近FB引腳，這樣能減少從FB引腳引入的噪聲。

（3）PWM脈寬調(diào)制信號由單片機產(chǎn)生控制，使LED能均勻地發(fā)光且發(fā)光效率最高。

5 結(jié)束語

本文通過傳統(tǒng)的CCFL冷陰極熒光燈背光源和高亮度LED背光源性能對比，確認LED背光源必將廣泛應(yīng)用于各類顯示設(shè)備。并通過應(yīng)用NS公司的LM2733芯片作為恒流源，制做了一款高亮度LED背光源液晶顯示模塊，達到顯示效果和亮度指標(biāo)。目前隨著LED背光源的廣泛應(yīng)用，LED發(fā)光管數(shù)量的不斷增加，功率更大，功能更全的芯片（LM3432、LM3675、LT3476等）相繼作為恒流源被廣泛應(yīng)用于實際工作中。

［1］胥紹禹.LED高效驅(qū)動技術(shù)［J］.電子報，2008（合訂本附錄七）:805-810.

［2］葉綠.LM2733電流型升壓變換器的應(yīng)用［J］.硅谷，2010（10）:134.