初析電流調(diào)光模式對LED液晶模組光學(xué)性能的影響

黃愛東　劉杰宏

【摘 要】對LED液晶模組，采用模擬調(diào)光和數(shù)字調(diào)光兩種電流控制模式，對比測試了模組的亮度、色坐標、LED焊腳溫度數(shù)據(jù)。實驗數(shù)據(jù)表明，相同整機系統(tǒng)下，平均電流相同時模擬調(diào)光比數(shù)字調(diào)光亮度高、LED芯片溫度低。隨著平均電流的減小，數(shù)字調(diào)光的亮度下降幅度比模擬調(diào)光明顯。數(shù)字調(diào)光模式色坐標的y坐標變化比模擬調(diào)光小，但x坐標差異不大。通過對以上兩種模式下光譜圖中三色光各波段的光強變化比以及主波長情況進行分析，認為半導(dǎo)體材料溫度變化引起的能帶差異以及電光轉(zhuǎn)換效率不同是主要原因。

【關(guān)鍵詞】模擬調(diào)光；數(shù)字調(diào)光；LED；電流；亮度；色坐標

0 引言

當前LED液晶電視已經(jīng)充徹市場，2K、4K智能電視已經(jīng)成為市場主流，甚至ELED自帶發(fā)光的液晶電視將成為趨勢。而對于仍使用的LED為藍光芯片加熒光粉的冷白光LED背光模式的液晶電視，由于藍光芯片電流電壓關(guān)系符合典型的二極管伏安特性曲線，為了保證背光光電性能的穩(wěn)定性，目前LED背光電路驅(qū)動模式為恒流驅(qū)動。恒流驅(qū)動有兩種模式，分別為模擬調(diào)光和數(shù)字調(diào)光兩種電流控制模式。兩種調(diào)光模式各具優(yōu)勢。本文將通過對這兩種電流控制模式下的LED液晶模組進行亮度、色坐標、溫度進行測試，分析兩種電流控制模式下的液晶模組的光學(xué)差異。

1 實驗

以組裝有一套白光LED的32英寸直下式入光的液晶電視模組作為實驗對象，在兩種電流控制模式下，通過調(diào)節(jié)菜單中的背光調(diào)節(jié)比例，逐步調(diào)節(jié)LED的平均電流。其中模擬調(diào)光為電流峰值調(diào)節(jié)，而數(shù)字調(diào)光為峰值不變（440mA），通過調(diào)節(jié)占空比來調(diào)節(jié)LED的平均電流。

在室溫25℃條件下，將機器通電在白場畫面點亮30min后開始測試。通過儀器測試液晶模組白場的亮度、色坐標數(shù)據(jù)、電流波形和數(shù)值以及試機器內(nèi)LED焊腳的溫度。電流值每隔20mA測試記錄一組數(shù)據(jù)，每個電流值穩(wěn)定10分鐘后進行亮度、色坐標、溫度的讀值。

2 結(jié)果和討論

2.1 亮度對比

液晶電視模組點亮30min后，整機內(nèi)部溫度與環(huán)境溫度基本一致時。通過用戶菜單調(diào)節(jié)背光的電流，得出兩種電流控制模式下不同平均電流下的亮度數(shù)據(jù)。如圖1所示，隨著電流的降低，亮度也逐漸降低，并且相同平均電流下，數(shù)字調(diào)光模式下比模擬調(diào)光模式下亮度要低，并且隨著電流的降低，數(shù)字調(diào)光模式下的亮度降低幅度比模擬調(diào)光模式下下降得快。如420mA平均電流下，數(shù)字調(diào)光模式下比模擬調(diào)光模式下亮度低6.4%，而到160mA平均電流時，這個值達到49%。

圖2為400mA與260mA平均電流兩種電流控制模式下光譜圖。由于液晶玻璃的濾光片的三色光穿透波譜大于LED波譜，且模組內(nèi)的膜片組件對光譜的吸收亦有限，故他們對測試點的光譜影響在此可以不作考慮。

由圖2得出，在平均電流均為400mA條件下，數(shù)字調(diào)光模式下測試點波譜強度值比模擬調(diào)光模式要低，光功率計算值比模擬調(diào)光模式低5.8%。在平均電流均為260mA條件下，數(shù)字調(diào)光模式下與模擬調(diào)光模式下測試點波譜強度差異值進一步擴大，綠光波段半峰寬度減小，光功率計算值比模擬調(diào)光模式低17.7%。

通過對機器內(nèi)LED焊腳的溫度測試發(fā)現(xiàn)，數(shù)字調(diào)光比模擬調(diào)光模式下焊腳溫度要高。下表1為400mA平均電流條件下（電流波形如圖1，其中，數(shù)字調(diào)光占空比為89%。），數(shù)字調(diào)光和模擬調(diào)光兩種模式下的LED焊腳溫度Ts情況。

公式為：Tj=Ts+P×Rth

其中，Tj為芯片溫度，P為led功率，Ts 為led焊腳溫度，Rth為熱阻，400mA與260mA時功率接近1W，熱阻可看作常數(shù)[1]，本樣品值為15K/W。

藍光芯片屬于Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體材料，隨著溫度的升高，材料的能帶發(fā)生變化，電子能量升高占據(jù)導(dǎo)帶中能量高些的電子態(tài)[2]。如上數(shù)據(jù)分析，相同平均電流不同電流控制模式下亮度的差異，主要由兩種電流模式下LED溫升差異引起。下一步將通過能帶和波長與溫度關(guān)系的變化進一步分析。

2.2 色度對比

液晶電視模組點亮30min后，通過用戶菜單調(diào)節(jié)背光的電流，得出兩種電流控制模式下不同平均電流下的xy色坐標數(shù)據(jù)。隨著電流的降低，色度坐標升高，對應(yīng)色溫降低。并且，x坐標值模擬調(diào)光模式下趨勢比較平緩，變化值為0.0019，數(shù)字調(diào)光下變化值為0.0024，差異值不大。而y坐標值則在數(shù)字調(diào)光模式下趨勢比較平緩，變化值為0.003，模擬調(diào)光下為0.0037，差異值比較大。

結(jié)合表1，隨著電流的降低，溫度的降低，色坐標的x 值和y 值都增加。這與譚艷娥[3]等人對冷白樣品的實驗數(shù)據(jù)基本一致。王勁[2]等人認為波長與峰值半波寬變化引起了色坐標的變化。色度坐標變化主要由波長-光強比決定。

對于藍光芯片基而言，影響Ⅲ族氮化物多量子器件發(fā)射光譜的能隙間隔，除了熱效應(yīng)帶來的變化外，還應(yīng)考慮自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)帶來的影響。所以隨著電流密度的減小，波長會出現(xiàn)紅移。但從實驗數(shù)據(jù)來看，平均電流從420mA降到260mA，模擬調(diào)光模式下藍光波段的主波長從445nm降到444.5nm，數(shù)字調(diào)光模式下藍光波段的主波長從445nm降到444nm，結(jié)果上還是出現(xiàn)了藍移現(xiàn)象?？梢姵穗娏髅芏鹊挠绊懼猓酒瑴囟鹊挠绊懜笮?，并且因為數(shù)字調(diào)光模式下溫度更高，所以溫度的影響更明顯。兩種模式下綠光波段穩(wěn)定在534nm，紅光波段穩(wěn)定在602nm。

3 結(jié)論

1）相同平均電流下，液晶電視模組數(shù)字調(diào)光模式下比模擬調(diào)光模式下亮度要低，并且隨著電流的降低，數(shù)字調(diào)光模式下的亮度降低幅度比模擬調(diào)光模式下亮度降低幅度要大的多。

2）相同平均電流下，數(shù)字調(diào)光模式下液晶電視模組系統(tǒng)中LED芯片的溫度比模擬調(diào)光下高。

3）隨著電流的降低，色度坐標中x坐標值模擬調(diào)光模式下變化趨勢比較平緩，變化值為0.0019，數(shù)字調(diào)光下變化值為0.0024，差異值不大。而y坐標值則在數(shù)字調(diào)光模式下趨勢比較平緩，變化值為0.003，模擬調(diào)光下為0.0037。

4）以上現(xiàn)象的主要原因為半導(dǎo)體材料能帶與溫度的負指數(shù)關(guān)系形成。數(shù)字調(diào)光模式下LED芯片的溫度高引起材料的能帶、主波長和發(fā)光效率變化。隨著電流的降低，數(shù)字調(diào)光模式下占空比減小，導(dǎo)致溫差進一步放大，引起兩種模式下的亮度、色度差異放大。

【參考文獻】

[1]毛德豐，郭偉玲，等.功率LED熱特性分析[J].照明工程學(xué)報， 2009，20（2）：30-34.

[2]王健，黃先.溫度和電流對白光LED發(fā)光效率的影響[J].發(fā)光學(xué)報，2008，29（2）：358-361.

[3]譚艷娥，余彬海，等.溫度對白光大功率LED分檔集中度的影響[J].半導(dǎo)體器件，2013，23（8）：603-608.

[4]王勁，梁秉文.大功率發(fā)光二極管光電特性及溫度影響研究[J].光學(xué)儀器，2007，29（2）：46-49.endprint