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)線都需要專門的耐高壓材料，為避免放電，對(duì)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(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。