采用高亮度LED背光源的液晶顯示模塊

摘要：介紹了一款高亮度LED背光源顯示器前端模塊，它是采用恒流源驅(qū)動(dòng)的高亮度LED發(fā)光矩陣為背光源，取代了傳統(tǒng)的CCFL背光源，文中對(duì)兩種背光源的應(yīng)用及性能進(jìn)行了比較，介紹了NS公司的開(kāi)關(guān)型的穩(wěn)壓器LM2733，芯片做為恒流源驅(qū)動(dòng)芯片在顯示模塊中的使用方法，該模塊采用單片機(jī)產(chǎn)生脈寬調(diào)制脈沖進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了相關(guān)畫(huà)面的輸出和控制。
關(guān)鍵詞：高亮度LED；背光源；脈寬調(diào)制

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(lái)隨著高亮度LED(Light Emitting Diode)不能發(fā)出白光的技術(shù)問(wèn)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(dòng)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(kāi)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時(shí)液晶屏，整個(gè)液晶屏安裝在堅(jiān)固的金屬機(jī)箱內(nèi)，為了進(jìn)一步降低EMI，顯示區(qū)域用金屬絲網(wǎng)屏蔽玻璃同外部機(jī)殼緊密連接，只在背后引出一個(gè)插座同主機(jī)控制信號(hào)和顯示信號(hào)連接，這樣形成一個(gè)整體的屏蔽外層。
    原先SHARP的3．8時(shí)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(jìn)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(dá)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(gè)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(dá)到顯示效果。

2 液晶背光源組件
    液晶屏是一種被動(dòng)顯示單元，必須有背光源才能看見(jiàn)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(dòng)背光源，LED主要用在手機(jī)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(wèn)題解決之后，為L(zhǎng)ED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(kāi)始廣泛應(yīng)用于大屏顯示器，而且發(fā)展速度越來(lái)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(dòng)電路，其輸出的元器件、導(dǎo)線(xiàn)都需要專(zhuān)門(mén)的耐高壓材料，為避免放電，對(duì)印制板布線(xiàn)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(jí))可以解決LCD顯示過(guò)程中的拖尾現(xiàn)象，而CCFL響應(yīng)速度為ms級(jí)，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(wèn)題，因?yàn)樗恼{(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(zhǎng)時(shí)間工作壽命下降快，低溫啟動(dòng)電壓超過(guò)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(dá)10萬(wàn)小時(shí)以上，而CCFL通常在2萬(wàn)～5萬(wàn)小時(shí)。
    (6)節(jié)能環(huán)保，能耗比冷陰極背光源低52％，并且沒(méi)有冷陰極管的汞污染。LED是半導(dǎo)體通電發(fā)光，沒(méi)有電磁輻射，對(duì)人體無(wú)害。
    以上性能優(yōu)點(diǎn)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
    為了使LED導(dǎo)通而流過(guò)電流，就必須給LED加上足夠的電壓，這個(gè)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(dòng)，如果加在LED上的電壓超過(guò)正向電壓，則流過(guò)LED的電流會(huì)急劇增加，過(guò)大的電流會(huì)造成LED損壞或短壽，因此LED應(yīng)采用恒流驅(qū)動(dòng)，使電流不超過(guò)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(huì)出現(xiàn)明顯的差異，這樣若采用改變電流來(lái)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(jué)暫留效應(yīng)，只要高于某一頻率的電流驅(qū)動(dòng)LED其平均亮度就會(huì)讓人感覺(jué)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(zhǎng)需要選擇合適的驅(qū)動(dòng)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L(zhǎng)ED供電，該芯片是開(kāi)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(gè)耐壓達(dá)到40V、低導(dǎo)通電阻的DMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管開(kāi)關(guān)，能夠使變換后的輸出電壓達(dá)到16V以上。同時(shí)，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(hù)模塊和過(guò)流模塊為穩(wěn)壓器提供保護(hù)過(guò)熱和限流保護(hù)。穩(wěn)壓器具有以下的特性：開(kāi)關(guān)頻率固定(有1．6MHz和0．6MHz兩種)、低導(dǎo)通電阻的Dmos開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)電流可以達(dá)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(bǔ)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(shí)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(duì)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(hào)的控制，使該恒流作高速通斷，這樣既達(dá)到技術(shù)要求的亮度，又可通過(guò)PWM調(diào)節(jié)亮度。
3．2 LM2733的典型應(yīng)用電路
    圖1為L(zhǎng)M2733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(shí)FB引腳的電壓由帶隙基準(zhǔn)電壓源設(shè)定為1．23V，所以輸出電壓。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(jì)算公式來(lái)計(jì)算。

3．3 背光驅(qū)動(dòng)及原理
    本顯示器背光板采用直下式背光，160個(gè)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(kāi)時(shí)，12V從L1流過(guò)MOSFET到地，即引腳SW接通到地，D2截止，L1根據(jù)指數(shù)曲線(xiàn)儲(chǔ)能，L1的儲(chǔ)能不會(huì)流向C2。
    (2)當(dāng)MOSFET關(guān)閉時(shí)，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(huì)產(chǎn)生一個(gè)高于12V很多的電壓，根據(jù)公式
   
    8個(gè)LED串聯(lián)，每個(gè)按3．2V算Vout=25．6V，R2取12kΩ。
    根據(jù)上述公式計(jì)算出R1=240kΩ。
    (3)流過(guò)R3的電流形成反饋電壓給FB引腳，從而調(diào)整脈寬，達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的。
    SHDN引腳接VIN時(shí)內(nèi)部以固定頻率1．6MHz開(kāi)關(guān)，接地時(shí)輸出為0，本電路接控制電路的脈寬調(diào)制信號(hào)(PWM)來(lái)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(shí)(此時(shí)即PWM脈寬為最大時(shí))始終保持1．23V，取R3=8．2Ω即流過(guò)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(gè)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(shí)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(gè)相當(dāng)高的效率，盡管電流降了很多，但此時(shí)的顯示模塊仍達(dá)到了800 cd／m2，完全達(dá)到了顯示器指標(biāo)要求。

4 設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)
    (1)由于160個(gè)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?br />     (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(duì)于高頻的開(kāi)關(guān)型轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)，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(duì)于大部分的應(yīng)用來(lái)說(shuō)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(xiàn)層。因?yàn)镃2和D1上的寄生電感將會(huì)增加噪聲，所以L(fǎng)1，D2和C2之間的連線(xiàn)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?gòu)腇B引腳引入的噪聲。
    (3)PWM脈寬調(diào)制信號(hào)由單片機(jī)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(yǔ)
    本文通過(guò)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(duì)比，確認(rèn)LED背光源必將廣泛應(yīng)用于各類(lèi)顯示設(shè)備。并通過(guò)應(yīng)用NS公司的IM2733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(dá)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(shí)際工作中。