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白光LED用于LCD背光
2007/2/1 11:58:08    茅于海,龙鼎微电子公司首席科学家

根据isuppli的统计,2004年LED在背光源应用的市场成长率较2003年成长44.5%,并开始成为LED最大的应用市场,市场占有率达25.2%,预估2005年市占率将更往上提升至26.4%,然而市场成长率仅预估15.7%,主要的原因在于彩色手机的换机需求已趋于饱和,手机产业在未达另一波3G革命前,仅为稳定的成长,将会使得LED在手机背光市场的成长有所限制,而且其市场也将逐步被OLED所蚕食。

目前,高亮度LED的生产地主要集中在台湾、大陆和韩国,约占45%,北美占25%,日本占22%,欧洲占8%。韩国Displaybank调查公司根据近期分析研究表示,2008年大型背照灯的销量将增至3.63亿台,从04年至08年这五年间,平均增长率将达到27.1%。以金额计算,市场规模将增至140亿美元,增长率为2005年的大约两倍,2004-2008年的年平均增长率将达到34.1%。

用于液晶屏背光的LED

液晶屏由于自身不会发光,因而需要采用外加的背光。液晶屏应用十分广泛,而且其尺寸大小可以为1-80"。小屏幕的液晶屏早就采用白色WLED作为背光,而大型液晶屏(笔记本、监视器、液晶电视)目前还大多采用CCFL(冷阴极荧光管)作为背光。然而这种CCFL存在着三大缺点:一是亮度不够,二是寿命太短,三是含有有害物质(水银)。所以,很有可能会在短期内被白光发光二极管WLED所取代。换句话说,LED背光正在逐步蚕食大尺寸LCD屏幕的CCFL背光市场。这也是因为小屏幕的LCD逐步被OLED所取代。

与现有的CCFL技术相比,发光二极管有大量的优点。因为LED是一种平面的光源,最基本的LED发光单元是边长3-5×0.8mm的矩形,极容易组合在一起成为既定面积的面光源,如果作为液晶屏幕的背光源,所需的辅助光学组件可以做得非常简单,屏幕亮度均匀性更为出色。而且其色彩表现能力也比CCFL为高。

其次是LED使用的是6-24V的低压电源,不像CCFL需要高压交流供电。其所需电压由CCFL管子的直径和长度决定,长度越长,电压越高,直径越细电压也越高。在LCD TV里还要求高达上千伏的高压。而用LED作为背光,其所需的电源电压只要十几伏到几十伏,供电模块的设计也颇为简单,这种采用LED背光源的液晶屏比通常用的CCFT(冷阴极荧光管)类液晶屏省电48%,同时不含对身体健康、环境有害的重金属汞。和CCFL相比,WLED具有如下优点:亮度高、寿命长、无有害物质。然而它的发光效率迄今还赶不上CCFL。但是,因为它体积小,很容易均匀分布,从而提高了它的导光效率,所以最后从屏幕的亮度来看,在同样的电源功耗时,它并不比CCFL差很多。而且它的效率提高得很快,差不多每15年提高一个数量级,估计到2007年就可以达到150lm/W。

不过最近韩国的LPL展出了全球最大的100" LCD TV仍然采用了CCFL作为背光,不但其对比度可以达到3000:1,而且其色饱和度也可以达到NTSC的92%。这是因为采用了高色饱和度的CCFL的缘故。

然而最重要的问题,还是环保问题。由于环保的要求,CCFL将被淘汰。欧盟于2003年2月13日发布WEEE(Waste Electronics and Electrical Equipment)与RoHS(Restriction of Hazardous Substances Directive)两项规定,其中RoHS规定自2006年7月1日起销往欧洲的商品不得用有害物质,包括铅、汞、六价铬、PBB(多溴联苯)、及PBDE(多溴二苯醚)等。其中当然也包括含有汞的CCFL在内。不过最近也出现了无汞CCFL。这种称之为FFL(Flat Fluorescent Lamp)的平面荧光管大多采用了Xe气放电原理,这种平面光源有组装简单,无汞等优点,在稳定的生产良率之下,FFL的成本可以是所有背光源技术最具竞争力者,因此也开始有厂商顺利量产并应用在32"以上的大尺寸LCD TV模块。但是其发光效率也只有27-35lm/W。寿命也只有10,000小时。都无法与LED匹敌。

白光LED用于LCD背光

没有一种LED可以直接产生白光,因为白光是太阳光,或者是指可见光谱,而由LED形成的白光实际上都是由几种光组合而成。

目前主要有三种白光LED。第一种是用红蓝绿三种LED合成为一种白光LED,虽然其理论的流明效率很高,但是这种方法需要有六条腿,而且需要精确地控制三种色彩的亮度,其电子电路要很复杂,所以很少采用。第二种是用紫外线LED激励RGB的荧光粉而产生白光,这种方法的效率比较高,而且光谱比较接近自然的太阳光。但是会有紫外线输出。第三种是用蓝色LED激发黄色的荧光粉,从而产生接近的白光。这种方法最为简单,成本最低,是目前使用最多的一种方法。它是采用氮化镓铟半导体InGaN的高亮度的蓝色LED与钇铝石榴石荧光粉(YAG:添加Ce的钇、铝石榴石)组合在一起而成的。它的发光效率(电能转换为光能)可以达到30%,以后还可以达到50%,而CCFL目前只有24%。

在小型液晶屏中,早已采用WLED作为背光,例如在手机液晶屏中,通常采用3-4个WLED作为背光。在液晶电视中采用WLED作为背光时,由于单个WLED的发光量不够,而且为了使其发光均匀,要求采用很多个WLED。背光所需要的WLED数目,通常由屏幕的大小决定。

目前,WLED背光已经开始应用到笔记本电脑中去,在笔记本电脑中,至少需要用40颗以上的WLED。

白光LED背光的驱动电路和芯片

为了要了解白光LED的驱动电路,首先要了解LED的电特性。WLED的发光量是由流过它的电流所决定,而不是由加在它两端的电压所决定。而各个LED的压降和流过的电流之间的离散度很大。

加在其两端的电压和流过的电流呈非线性关系。而且不同品牌之间有很大离散度。即使是同一品牌,不同个体之间也有很大离散度。因为WLED的亮度是由通过其电流的强度所决定的。所以为了使各个WLED发光均匀,就必须要求流过的电流相同。这样为了驱动WLED就必须要有满足其电压要求的恒流源来供电。而且正向电流的变化也会引起发光光谱的变化。

同时,LED所允许的最大电流是由环境温度决定的。当最大的环境温度为50oC时,就应当将其电流限制为20mA。这些特点都要求采用LED驱动器来对WLED的电流进行恒流控制。所以LED驱动器的任务是:
(1)将电源(可能是锂电池)的电压转换为驱动LED所需的电压, 这个电压取决于LED的连接方法(串联、并联或串并联)和数量。
(2)在工作过程中保持恒定的电流。如果以恒压源供电,则其电流将会有很大的不同。有些个别LED就会烧毁。

LED的发光亮度可以用改变其电流的方法来实现。但是这种模拟亮度控制方法会产生色偏现象。也就是它所发出光线的波长将会随着其正向电流而改变。例如,一颗“真正”绿光LED,其最大亮度规格电流为20mA,当其亮度通过模拟调光减少为25%时(相当于正向电流从20mA减少到5mA),其色谱也会从525nm偏移到531nm,这种色偏移程度显然不可能被要求真实色彩的高画质显示器接受。

因此,通常就采用PWM的方式来对LED进行亮度调节。不同的工作比就可以得到不同的亮度,这相当于用改变LED导通的时间来改变亮度,而每次导通所达到的正向电流是不变的,所以其色谱也就不会改变。为了得到不同的亮度,就要求能够精确控制PWM的宽度。一个12位精度的PWM可以实现4096级灰度。虽然改变PWM的工作比可以改变其亮度,但是其效率也会跟着改变。

对多个WLED供电时有两种方法,一种是将各个WLED串联,还有一种是把各个WLED并联。在串联供电时很容易保证流过各个WLED的电流一致。但是WLED的个数越多,所需的电压也就越高,而且一旦一个WLED烧毁,所有的WLED都不亮。并联供电的结构中,其优点是需要的电压低,各路互不影响,但是要求每一路都要有单独的恒流控制。

在便携设备中,其屏幕尺寸通常在1.5-2.5"之间,所需的WLED数目大约在3-4个之间。如果串联供电,当要求的电流为20mA时,每个WLED的电压大约在3.3-4.0V之间,这样,总电压就在12-16V之间,而输入为锂电池,其电压在2.8-4.2V之间。这种WLED驱动器通常可以用电感型升压电路来实现。其优点是变换效率高,缺点是电感体积大,价钱贵,而且有可能产生高频辐射干扰。所以在手机,或带GPS的Smart Phone里,就希望采用不带电感的电容式电荷泵升压器。但是这类升压器的效率比较低,而且通常顶多只能升1倍(x2)。因而,所有的WLED就只能用并联方式。

用RGB LED作为液晶电视背光

液晶电视由于其市场增长速度很快,而且背光系统的成本很高,所以将会成为LED背光的一个重点市场。目前LCD TV的背光系统主要是采用CCFL。然而,由于CCFL含汞,欧盟规定从2006年7月1日开始,要对采用CCFL背光的LCD电视机每台增收10美元的废旧电子产品的回收费。根据Insight Media的预测,到2010年,采用LED背光的LCD TV就将在数量上超过采用CCFL的系统。在液晶电视中,采用LED作为背光可以有三种方法:

1、白光LED代替CCFL作为背光

因为通常的白光背光LED是由蓝光LED和黄光荧光粉合成,其光谱离纯白光相去甚远。所以,这种白色LED作为背光只能得到80%NTSC色域,为了得到非常接近天然白光光谱的LED背光,就必须采用红绿蓝三种颜色的LED来合成白光。

2、RGB LED混合成白光后作为背光

要构成白光,所需要的绿光的亮度要最亮,其次是红光,蓝光只要很少就可以了,这也是为什幺通常需要两颗绿光LED的原因。红绿蓝LED通常采用磷化铝铟镓AlInGaP(红色)和氮化镓铟InGaN (绿色或兰色)技术。通常都是在碳化硅(SiC)基底上生成。其中红色的波长为626nm,绿色为525nm,蓝色为450nm。

早期的蓝色LED的发光效率很低,以后采用氮化镓可以提高一倍,再以后采用氮化镓铟又可以提高一倍。这样蓝光LED的发光效率就解决了。采用RGB LED以后,其光谱分布要比CCFL好很多,和彩色滤光片的光谱更加匹配。

在液晶电视机中,最理想采用RGB三色LED来作为背光。这是因为采用红、绿、蓝三色LED来构成白光,则其色域有可能超过100%的NTSC色域。不过在采用红蓝绿三色LED作为背光,其散热将成为一个严重的问题,如何安排RGB LED的位置以及通风孔的位置就是一个十分重要的问题。

为了产生彩色就需要RGB三种LED,如果每个灯的亮度可以控制到4096级,就有可能实现687亿种颜色。通常把同一种颜色的LED串联起来,以得到相同的电流。由于LED的发光通常会受到其本身温度的影响,而且温度还会改变其颜色,所以在高质量的液晶屏中还需要采用彩色传感器和温度传感器,以便随时监测LED的颜色和温度,然后再用PWM来控制各种的发光。

用于LCD TV的背光LED要求有较大的功率,通常每个高亮度LED的压降为3-4V,电流则高达500-700mA。为了驱动如此多的LED,势必需要很高的电压。由于通常LCD TV都是用交流供电的。所以最好采用由交流市电直接整流而得到的电压供电。先把桥式整流得到大约250VDC,直接用来驱动70多颗串联的LED。然后再对LED进行恒流调节。这种转换方案对输入端的功率因子要求很高,所以还需要功率因子校正(PFC)。

目前采用CCFL背光液晶电视机的对比度最高可达100:1,亮度是550;LED背光液晶电视机的对比度达到1400:1,亮度达到900,同时颜色更加丰富艳丽。但是,第一批以LED作为背光的LCD TV还是有一些缺点的:
首先,因为LED的发光效率目前还比较低,大约只有50-60lm/W,虽然要比白织灯高5-6倍,但只有CCFL的1/2。这就造成了这种彩色LED背光的电视机的总效率就很低。例如,Sony 公司采用CCFL的40" WEGA液晶彩电,耗电为290W,而世界上第一个采用彩色LED作背光同样尺寸的液晶电视,耗电达到470W。为CCFL的1.6倍。46"的彩色LED背光的液晶电视,其耗电更高达550W。

其次,LED背光面板的价格相当昂贵,同等尺寸的背光源,LED是冷阴极荧光管价格的3-5倍,而且屏幕尺寸越大,采用LED背光技术的成本就越高。

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