一種LED顯示屏電光轉(zhuǎn)換效率的計(jì)算方法

張奇，肖華勇，吳能友，何昆鵬

（深圳市奧拓電子股份有限公司，廣東深圳，518057）

0 引言

能源作為人類活動必須品，主要來源于對大自然的汲取和提煉，隨著人類活動的不斷擴(kuò)張和生活的不斷追求，能源問題越來越突出，要求我們有更高的能源利用率，LED發(fā)光二極管應(yīng)運(yùn)而生，其工作原理是在某些特定的半導(dǎo)體材料中，在正向?qū)ǖ那闆r下，注入二極管P/N節(jié)區(qū)電子和空穴相遇復(fù)合，將電勢能轉(zhuǎn)換為光能。在能耗方面，LED燈的能耗是白熾燈的十分之一，是節(jié)能燈的四分之一，這是LED燈的一個最大的特點(diǎn)。此文的目的就是通過一種實(shí)驗(yàn)與理論結(jié)合的方法來評價LED顯示屏的能效，揭示LED顯示屏在節(jié)能指標(biāo)的優(yōu)劣勢和未來我們要努力的目標(biāo)是什么。

1 LED顯示屏光電轉(zhuǎn)換效率

LED顯示屏的電氣系統(tǒng)一般由以下幾個部分構(gòu)成：電源系統(tǒng)，控制模塊，顯示模塊。電源系統(tǒng)一般由若干個AC-DC開關(guān)電源構(gòu)成，主要功能是為控制模塊提供電能，保證屏體正常工作；控制模塊的主要功能是通過一定的算法將標(biāo)準(zhǔn)視頻源信號，例如HDMI，DVI，DP等視頻源信號轉(zhuǎn)換成特定的編碼信號，使得視頻源圖像能夠完整的，正確的顯示在屏體上，顯示模塊的主要是由LED發(fā)光二極管點(diǎn)陣構(gòu)成的，包含PCB板，LED驅(qū)動芯片等基本電子元器件，主要功能就是負(fù)責(zé)圖像的呈現(xiàn)。因此，我們將LED顯示屏的能效定義為：

其中：WLED—LED顯示屏所使用的LED發(fā)光二極管有效光功率（單位：瓦特），WLEDDisplay—LED顯示屏交流電功耗（單位：瓦特）。

2 LED顯示屏的能效計(jì)算

如何計(jì)算LED顯示屏的能效，可以通過測量光通量的方法進(jìn)行計(jì)算。如果使用量子光電轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行計(jì)算，由于過于復(fù)雜，并不實(shí)用。

2.1 LED顯示屏基本構(gòu)成

為了更好的理解LED顯示屏的能效，現(xiàn)對LED顯示屏的基本構(gòu)成進(jìn)行詳細(xì)的說明，一般的講，它由LED像素點(diǎn)陣，LED恒流驅(qū)動IC，控制單元，AC-DC供電模塊構(gòu)成，詳見圖1，LED顯示點(diǎn)陣模塊中的三色LED燈正極供電電壓為VM，由開關(guān)電源供電，LED燈珠的紅，綠，藍(lán)三種顏色共同采用相同的供電電壓，供電電壓通常在4.2～5V；每個LED發(fā)光二極管負(fù)極電壓，分別為VB_VOL，VG_VOL，VR_VOL，則紅，綠，藍(lán)發(fā)光二極管管壓降一般情況下分別為：

圖1 LED顯示屏基本系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

流經(jīng)每個發(fā)光二極管的恒定電流分別為Ir(mA)，Ig(mA)，Ib(mA)。

由上述可知:

其中：μAC/DC—電源轉(zhuǎn)換效率；IS—控制模塊消耗電流(A)；MI—顯示屏模塊消耗電流(A)。

2.2 光效LEDη及電光效率LEDμ的計(jì)算

一般的來講，我們可以認(rèn)為，純粹的電光轉(zhuǎn)換效率可以通過如下公式計(jì)算：

其中：V f,If—分別是指LED發(fā)光二極管的正向?qū)妷汉蛯?dǎo)通電流值。

然而我們發(fā)現(xiàn)，上述公式中的θ出光效率很難通過實(shí)驗(yàn)的方式取得相關(guān)的數(shù)據(jù)；也稱為LED燈的外部量子效率，其為組件的內(nèi)部量子效率與取出效率的乘積。所謂內(nèi)部量子效率，其實(shí)就是P-N結(jié)本身的電光轉(zhuǎn)換效率，主要與本身的特性（如材料的能帶、缺陷、雜質(zhì)）、組件的壘晶組成及結(jié)構(gòu)等相關(guān)。而取出效率則指的是P-N結(jié)內(nèi)部產(chǎn)生的光子，在經(jīng)過外圍固件本身的吸收、折射、反射后，實(shí)際在外部可測量到的光子數(shù)目。因此，關(guān)于取出效率的因素包括了LED燈材料本身的吸收、幾何結(jié)構(gòu)、封裝材料的折射率差及組件結(jié)構(gòu)的散射特性等。而內(nèi)部量子效率與組件的取出效率的乘積，就是整個LED燈的出光效率，也就是組件的外部量子效率。早期Led燈發(fā)展集中在提高其內(nèi)部量子效率，主要方法是通過提高壘晶的質(zhì)量及改變壘晶的結(jié)構(gòu)，使電能不易轉(zhuǎn)換成熱能，進(jìn)而間接提高LED的發(fā)光效率，從而可獲得70%左右的理論內(nèi)部量子效率，但是這樣的內(nèi)部量子效率已經(jīng)接近理論上的極限，工藝要求會更高，隨之帶來的是成本問題。而出光效率可以通過如下方法進(jìn)行提高：(1)優(yōu)化芯片發(fā)光層結(jié)構(gòu)；(2)提高光引出效率的芯片技術(shù)；(3)光子晶體技術(shù)；(4)電極和電流擴(kuò)展技術(shù)；(5)光學(xué)薄膜技術(shù)；(6)改進(jìn)光學(xué)封裝技術(shù)，采用二次光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)等。

R—是指LED燈發(fā)光二極管的導(dǎo)通內(nèi)阻，然而導(dǎo)通內(nèi)阻受到很多因素的影響，并非是一個恒定的數(shù)值，例如LED的P-N結(jié)結(jié)溫。

我們通過光通量的測量來取得另外一種方法來評估發(fā)光效率，因此對于LEDW是要特指LED發(fā)光二極管所發(fā)出的對人眼有效的刺激光子的總功率大小。

想要正確反映光度學(xué)計(jì)量，我們必須利用功耗分布函數(shù)V(λ)對輻射量進(jìn)行修正，如果我們知道相對輻射光功率分布P(λ),我們就可以計(jì)算出流明通量分布規(guī)律：

總流明通量：

其中P(λ)是光功率譜，也就是每單位波長光發(fā)射功率，683lm/W是標(biāo)準(zhǔn)化因子。光源總的光發(fā)射功率可以被給出：

光輻射的流明效率是光的流明光通量與光源總的發(fā)射功率之比：

而一般情況下，對于人眼而言，設(shè)光源的輻射能量為Φe(λ)，人眼感覺到光通量為 Φv,按照CIE標(biāo)準(zhǔn)光度觀察的視覺特性V(λ),λ= 380nm～780nm來評價輻射能量為 Φe即為光通量vΦ:

通過輻射能量Φe(λ)的積分計(jì)算取得：

因此，我們可以通過測試光通量和輻射通量，我們可以得出對應(yīng)RGB三色LED及不同工作電流fI的情況下的光效曲線及效率曲線μLED× 1 00%。

通過實(shí)驗(yàn)得出某國產(chǎn)SMD 三合一LED發(fā)光二極管在常溫下光效分布如圖2及效率分布如圖3所示。

圖2 不同顏色的LED燈珠在不同電流下的光效曲線

圖3 電光轉(zhuǎn)換效率與正向電流fI曲線

從圖中可以看出，LED燈的電光轉(zhuǎn)換效率LEDμ隨著電流的大小先增后降，其中紅色電光轉(zhuǎn)換效率最高，綠色光效最低。這種趨勢的主要原因是當(dāng)電流達(dá)到一定值的時候，電子-空穴的復(fù)合達(dá)到飽和的狀態(tài)，不再是線性的輸出。這與二極管的伏安特性曲線非常的類似。當(dāng)電流繼續(xù)增大的情況下，光效會有所下降，當(dāng)正向電流繼續(xù)增大之后，熱效應(yīng)明顯起到主導(dǎo)作用。其根本原因在《InGaN 藍(lán)光LED量子效率與注入電流關(guān)系的研究》一文中有相關(guān)的解釋說明：當(dāng)電流密度達(dá)到一定程度時，非輻射復(fù)合肖克萊德霍爾（SRH）復(fù)合和俄歇復(fù)合逐漸增加，俄歇復(fù)合產(chǎn)生的熱電子也可以越過電子阻擋層進(jìn)入P區(qū)與空穴發(fā)生非輻射的復(fù)合。

2.3 LED顯示屏的能效評估

通過上述的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為我們評估LED顯示屏的能效打下了比較好的基礎(chǔ)。

現(xiàn)在假設(shè)一個顯示模塊大小是480mm×240mm，其像素分辨率大小是：60×30的LED點(diǎn)陣，掃描方式Scan=1/5。測得的VRF,VGF,VBF電壓值分別為：

測試得的紅，綠，藍(lán)正向?qū)娏鳛椋?5.35，15.35，9.2mA，從圖2所示的數(shù)據(jù)，我們可以得出單個LED燈珠的發(fā)光效率LEDμ分別為：

根據(jù)LED顯示屏的基本工作原理可知，一個模組的電光效率λR,G,B公式為：

其中：Scan — LED顯示屏的掃描數(shù)值；N—LED顯示屏像素點(diǎn)總數(shù)。

于是我們可以計(jì)算得出：

一個顯示模組的總的光電轉(zhuǎn)換效率為：

而對于相對于開關(guān)電源的轉(zhuǎn)換效率，我們再進(jìn)行一次轉(zhuǎn)換，一般情況下，開關(guān)電源的轉(zhuǎn)換效率為0.87。所以最終的LED顯示屏轉(zhuǎn)換電光轉(zhuǎn)換效率為：

考慮受到LED顯示屏的工作溫度的影響，LED顯示屏的電光轉(zhuǎn)換效率會比15.4%要低，因此大概數(shù)值在10%以下。環(huán)境溫度對電光轉(zhuǎn)換效率的影響還需要進(jìn)一步研究。

2.4 LED顯示屏節(jié)能的評估

我們通過歷史數(shù)據(jù)的對比，如表1所示。

表 1

我們發(fā)現(xiàn)LED顯示屏的光效除了綠燈以外，紅色與藍(lán)色的光效與LED熒光LED管的發(fā)光效率相當(dāng)，并沒有人們想象的那樣比較節(jié)能。主要原因:

(1)LED燈內(nèi)部光效不高，Rη，Bη沒有超過50lm/W。

(2)從電光轉(zhuǎn)換效率上看μR＞μB＞μG，這個取決于兩個方面。①P-N結(jié)量子效率；②取光效率。量子效率主要依靠材料制備技術(shù)的進(jìn)步，通過改善發(fā)光層晶體質(zhì)量，提高器件的載流子注入效率和復(fù)合效率，這方面的提升空間目前已經(jīng)變得較為有限。取光效率的提升還有很大的開發(fā)空間，這方面的主要工作將在于：①提高光從發(fā)光層逸出的效率；②改善芯片切割工藝，減少透明藍(lán)寶石襯底側(cè)面亮度吸收損失。

3 結(jié)束語

通過實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)和公式推導(dǎo)，一臺LED顯示屏的電光轉(zhuǎn)換效率大概只有15.4%左右，如果考慮環(huán)境溫度的影響，這個數(shù)值比目前測算的數(shù)據(jù)更小，可能要低于10%以下，大部分的能量是通過熱量的形式散發(fā)掉。從應(yīng)用層面來講，這也說明LED顯示屏因?yàn)槠鋸?fù)雜的控制鏈路，導(dǎo)致電光轉(zhuǎn)換效率得到了進(jìn)一步的縮水。從LED顯示屏的原理上看，提高LED顯示屏的電光轉(zhuǎn)換效率主要從以下幾個方面出發(fā)：

(1)降低LED燈的供電電壓：VM。這是目前比較通用的方法，而且效果比較明顯，帶有掃描方式的LED光模塊，通常需要行驅(qū)動控制，即我們所說的MOS開關(guān)管，因?yàn)槲覀兛梢允褂酶蛢?nèi)阻的MOS管也可以提高電光轉(zhuǎn)換效率，目前比較熱門的話題是氮化鎵MOS管，這種MOS管有非常低的內(nèi)阻特性。

(2)降低驅(qū)動IC恒流輸出通道的電壓值：VOL，即降低LED驅(qū)動IC的熱散耗，目前比較多的設(shè)計(jì)方案為共陰驅(qū)動，動態(tài)節(jié)能等。

(3)使用帶PFC的開關(guān)電源，一般情況下帶有PFC模塊的電源效率在87%以上，而不帶PFC模塊的開關(guān)電源的效率只有60%左右。我國CCC強(qiáng)制認(rèn)證有明確規(guī)定，對于超過75W開關(guān)電源，需要符合《GB17625.1-2012電磁兼容限值諧波電流發(fā)射限值(設(shè)備每相輸入電流≤16-A)》。LED顯示屏作為信息技術(shù)設(shè)備類產(chǎn)品，對諧波的要求也是有明文規(guī)定。