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，文中對兩種背光源的應(yīng)用及性能進行了比較，介紹了NS公司的開關(guān)型的穩(wěn)壓器LM2733，芯片做為恒流源驅(qū)動芯片在顯示模塊中的使用方法，該模塊采用單片機產(chǎn)生脈寬調(diào)制脈沖進行亮度調(diào)節(jié)，實現(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。近幾年來隨著高亮度LED(Light Emitting Diode)不能發(fā)出白光的技術(shù)問題解決之后，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時液晶屏，整個液晶屏安裝在堅固的金屬機箱內(nèi)，為了進一步降低EMI，顯示區(qū)域用金屬絲網(wǎng)屏蔽玻璃同外部機殼緊密連接，只在背后引出一個插座同主機控制信號和顯示信號連接，這樣形成一個整體的屏蔽外層。
原先SHARP的3．8時液晶屏采用CCFL(冷陰極燈管)背光源，亮度指標為240cd／m2，為了進一步降低EMI，顯示區(qū)域用金屬絲網(wǎng)屏蔽玻璃后，亮度下降了20％，為了使亮度達到指標要求(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，達到顯示效果。

2 液晶背光源組件
液晶屏是一種被動顯示單元，必須有背光源才能看見顯示內(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)動背光源，LED主要用在手機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)問題解決之后，為LED在顯示領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了根本性的基礎(chǔ)，LED背光源開始廣泛應(yīng)用于大屏顯示器，而且發(fā)展速度越來越快。
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)可以解決LCD顯示過程中的拖尾現(xiàn)象，而CCFL響應(yīng)速度為ms級，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題，因為它的調(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，長時間工作壽命下降快，低溫啟動電壓超過常溫的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10萬小時以上，而CCFL通常在2萬～5萬小時。
(6)節(jié)能環(huán)保，能耗比冷陰極背光源低52％，并且沒有冷陰極管的汞污染。LED是半導(dǎo)體通電發(fā)光，沒有電磁輻射，對人體無害。
以上性能優(yōu)點決定了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)通而流過電流，就必須給LED加上足夠的電壓，這個電壓就是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，如果加在LED上的電壓超過正向電壓，則流過LED的電流會急劇增加，過大的電流會造成LED損壞或短壽，因此LED應(yīng)采用恒流驅(qū)動，使電流不超過其額定電流，由于LED發(fā)光隨著電流不同，光譜也不同，電流變化發(fā)光的顏色也會出現(xiàn)明顯的差異，這樣若采用改變電流來調(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，利用人眼視覺暫留效應(yīng)，只要高于某一頻率的電流驅(qū)動LED其平均亮度就會讓人感覺不到閃爍，使得PWM調(diào)光成為可能，為了最大限度發(fā)揮LED的特長需要選擇合適的驅(qū)動電路使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LED供電，該芯片是開關(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)部含有一個耐壓達到40V、低導(dǎo)通電阻的DMOS場效應(yīng)晶體管開關(guān)，能夠使變換后的輸出電壓達到16V以上。同時，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)部的熱保護模塊和過流模塊為穩(wěn)壓器提供保護過熱和限流保護。穩(wěn)壓器具有以下的特性：開關(guān)頻率固定(有1．6MHz和0．6MHz兩種)、低導(dǎo)通電阻的Dmos開關(guān)管開關(guān)電流可以達到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)光信號的控制，使該恒流作高速通斷，這樣既達到技術(shù)要求的亮度，又可通過PWM調(diào)節(jié)亮度。