直下式模組燈條設(shè)計(jì)

一、序言

在產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中，模組占據(jù)電視的很大一部分，模組的設(shè)計(jì)很大程度上決定產(chǎn)品的最終意識(shí)形態(tài)，所以模組的開發(fā)在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程中非常重要。在模組設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要熟練的了解模組的設(shè)計(jì)指標(biāo)，包括混光距離、亮度、色溫、能效、均勻性、色域覆蓋率等等其中混光距離，亮度、色溫、能效、色域覆蓋率這幾項(xiàng)參數(shù)與燈條的設(shè)計(jì)緊密相關(guān)。

因此，在模組開發(fā)過(guò)程中，燈條設(shè)計(jì)非常重要，合理的設(shè)計(jì)能夠讓產(chǎn)品以最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案體現(xiàn)產(chǎn)品的最大價(jià)值，下面詳細(xì)介紹直下式模組的燈條設(shè)計(jì)。

圖1 直下式模組混光距離示意圖

二、LED規(guī)格以及與LENS匹配性

1、LED的規(guī)格

目前直下式燈條常用的LED規(guī)格按照封裝大致分為以下幾種規(guī)格：3528單晶、3528雙晶、3030單晶、3030雙晶、3535單晶、3535雙晶以及Flip Chip 3030，最近有各LED廠商在推廣CSP（Chip Scale Package） 1313封裝。按照晶片開口直徑又可以分為：Φ1.8，Φ2.1，Φ2.5，Φ2.6。

2、混光距離（OD：optical distance）

直下式混光距離（OD）定義：指擴(kuò)散板與PCB上表面之間的距離。OD越大，LED光束混光越充分，燈顆影越輕微，視效會(huì)更好，所以不同的OD對(duì)于直下式模組燈條的設(shè)計(jì)有不同的影響，因此在產(chǎn)品立項(xiàng)是OD的選擇決定了直下式模組燈條的設(shè)計(jì)。OD的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示：

3、與LENS的匹配性

LED的發(fā)光角度約為120°，而且不同角度的光強(qiáng)度不相同，如果單獨(dú)使用LED產(chǎn)生的光束作為背光源，會(huì)出現(xiàn)背光整體視效的亮度不均勻。目前采用將LENS放在LED正上方，使LED產(chǎn)生的光束經(jīng)過(guò)LENS進(jìn)行二次光學(xué)，讓光束能夠更均勻的發(fā)散，在直下式腔體內(nèi)（OD）進(jìn)行混光，通過(guò)調(diào)整LED光源之間的間距是的背光呈現(xiàn)均勻的視效。

針對(duì)不同的OD，有不同的光學(xué)原理透鏡：

圖2 折射型透鏡

圖2中為折射型透鏡，利用光學(xué)的折射原理，把入射光發(fā)光角度擴(kuò)大，形成更大角度均勻的出射光，通過(guò)直下式腔體進(jìn)行混光，從而實(shí)現(xiàn)整面均勻的效果，此類型透鏡常用于OD25-40mm直下式模組；圖3為反射型透鏡，將LED發(fā)出的光束經(jīng)過(guò)此LENS后，光束打到反射片，再經(jīng)過(guò)反射片反射出的光束在腔體內(nèi)混光，此類透鏡常用在OD15-25mm的直下式模組。

圖3 反射型透鏡

三、LED顆數(shù)的評(píng)估

產(chǎn)品立項(xiàng)有關(guān)亮度等相關(guān)指標(biāo)，不同的產(chǎn)品檔次規(guī)定的指標(biāo)也是存在差異的，通常在模組設(shè)計(jì)的過(guò)程中要考慮到在整機(jī)調(diào)試過(guò)程中會(huì)有一定的亮度損失，所以在模組開發(fā)時(shí)要留有一定的亮度裕量。首先介紹模組中心的亮度計(jì)算公式：

 （１）

式中：L—模組中心亮度，單位cd/㎡（坎德拉/平方米）；N—LED的數(shù)量；F—單顆LED的亮度，lm（流明）；0.37—坎德拉（cd）與lm（流明）的換算系數(shù)，N1—擴(kuò)散板的透過(guò)率，量綱為1；N2—膜片的增益，量綱為1；N3—玻璃的穿透率，量綱為1；S—玻璃的AA區(qū)面積，即有效發(fā)光面積，單位㎡。

根據(jù)公式可以算出LED使用的數(shù)量，但也要考慮到LED搭配LENS使用的間距，以及排布方式，當(dāng)算出來(lái)的LED數(shù)量為質(zhì)數(shù)時(shí)，在背板上無(wú)法成規(guī)則的排布，這時(shí)可以適當(dāng)?shù)脑黾覮ED數(shù)量進(jìn)行調(diào)整燈條的排布方案。在燈條排布方案時(shí)要考慮背光恒流通道的取舍，要選擇常規(guī)的通道數(shù)量以及恒流參數(shù)。同時(shí)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中要考慮LED后續(xù)開發(fā)亮度提升后的方案，即兼容減少燈顆的方案。具體的燈條排布還是要根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行精細(xì)化評(píng)估。

四、燈條PCB板Layout設(shè)計(jì)規(guī)范

確定了LED的排布方案以及和透鏡的搭配后，需要將燈條方案進(jìn)行Layout，以下幾點(diǎn)在Layout過(guò)程中要注意的規(guī)則：

1、PCB板寬以及板框的設(shè)計(jì)規(guī)范

PCB的板寬是根據(jù)LENS的寬度確定的，通常板寬比LENS款1mm以上，保證分板后，LENS不會(huì)被刮傷，常用的PCB板寬見下表。PCB在一端要留有分板機(jī)近刀口，便于分板。如圖4所示：

圖4 PCB板端入刀口設(shè)計(jì)圖

2、安全間距的相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范

由于直下式燈條的PCB線路比較簡(jiǎn)單，要求走線盡可能寬一些，最窄處按照0.6mm要求，除LED之間的間距，其他安全間距要求不低于0.8mm。板材要求所有線路距板邊1mm以上。

3、螺釘控位置設(shè)計(jì)規(guī)范

燈條PCB主要靠螺釘固定，在螺釘控位置要預(yù)留3mm禁止覆銅區(qū)的安全間距，防止螺釘和線路短路。

4、覆銅

在保證安全間距的間距的情況下，盡可能的多覆銅，LED的散熱主要是依靠PCB板上的銅皮進(jìn)行散熱，增加散熱面積，能起到更好的散熱效果。

5、Mark點(diǎn)的要求

直徑為1mm的獨(dú)立的圓形焊盤，沒(méi)有任何網(wǎng)絡(luò)連接。MARK點(diǎn)外圍直徑3MM內(nèi)露基材。兩個(gè)Mark點(diǎn)分布在PCB的對(duì)角形成一對(duì)。為了保險(xiǎn)起見可以用4個(gè)Mark點(diǎn)分布在PCB的4個(gè)角。另外，考慮到部分PCB過(guò)長(zhǎng)，不超過(guò)300mm增加一對(duì)Mark點(diǎn)。對(duì)角線不能相等，建議差值為15mm以上，破壞掉MARK點(diǎn)的均勻性。

五、LED燈條壽命設(shè)計(jì)原則

產(chǎn)品要考慮其中元器件的壽命，同樣，在燈條的使用過(guò)程中也要考慮LED的壽命，，LED的壽命受其結(jié)溫（Junction Temperature）影響非常大。圖5為L(zhǎng)ED結(jié)溫（Junction　Temperature）與壽命的關(guān)系的曲線，所以在LED使用過(guò)程中要控制結(jié)溫。結(jié)溫的計(jì)算公式如下：

 （２）

式中：—結(jié)溫（Junction Temperature），單位攝氏度（℃）；—熱阻（Thermal Resistance），單位攝氏度每瓦（℃/W）；—LED焊角溫度，單位攝氏度（℃）；—LED驅(qū)動(dòng)電流，單位安培（A）；—LED電壓，單位伏特（V）。

圖5　LED光衰曲線

模組要求LED的壽命不小于30000小時(shí)（The lifetime of LED is defined as the time when LED packages continue to operate，and its brightness attenuation to the original 50%），結(jié)合圖5和公式（２）可以推算出LED焊角溫度需小于80℃，考慮到極限使用環(huán)境最高40℃，所以在設(shè)計(jì)階段要求LED焊角溫度不超過(guò)65℃（@25℃），此項(xiàng)影響LED壽命的重要因素，在設(shè)計(jì)中一定要注重把控。

六、LED的混BIN規(guī)范

通過(guò)以上可以確定直下式模組的燈條排布方案，接下來(lái)就是確定LED具體的規(guī)格，涉及到LED的亮度規(guī)格，色度規(guī)格，電壓規(guī)格，波長(zhǎng)規(guī)格等。

1、亮度規(guī)格

亮度是燈條設(shè)計(jì)中一個(gè)重要指標(biāo)，只有滿足亮度指標(biāo)才能夠算的上合格的開發(fā)，所以將滿足亮度指標(biāo)的LED亮度檔定為最低亮度檔，當(dāng)然這也要結(jié)合LED廠商的亮度產(chǎn)出比。

2、色度規(guī)格

模組設(shè)計(jì)對(duì)色溫要求為：9000K-12000K，色塊跨度太大容易超出模組色溫范圍，色度跨度太小，LED廠家無(wú)法滿足交貨需求，所以色塊的選擇一定要同時(shí)滿足這兩個(gè)需求。在模組開發(fā)階段要確定色塊極限色點(diǎn)的模組色溫，色塊極限色點(diǎn)滿足在色溫范圍內(nèi)，其他非極限色點(diǎn)LED一定是滿足色溫要求的，因此在開發(fā)過(guò)程中極值色溫點(diǎn)對(duì)應(yīng)的極限色塊色度點(diǎn)測(cè)試非常重要。

3、電壓規(guī)格

LED的的驅(qū)動(dòng)方式為恒流驅(qū)動(dòng)，所以在確定方案時(shí)，LED電壓是影響整體功率的重要因素。同樣，功率又影響著能效。確定方案后，根據(jù)產(chǎn)品的能效定義進(jìn)行測(cè)試，將滿足能效要求的電壓檔定為最高電壓檔。但是，電壓檔也不能過(guò)低，電壓過(guò)低會(huì)對(duì)恒流的設(shè)定有很大影響，通常將LED最低電壓檔定位2.8V。

4、波長(zhǎng)規(guī)格

波長(zhǎng)的選擇是根據(jù)模組使用的玻璃頻譜相關(guān)，通常用在背光上的LED頻譜范圍為：440-460nm之間，波長(zhǎng)是影響duv重要因素，波長(zhǎng)越大，duv會(huì)越大。

以上LED這幾種規(guī)格在直下式模組中都是單打，否則模組會(huì)出現(xiàn)色度和亮度以及顏色不均等現(xiàn)象?；齑虮碜鳛閲?yán)格管控LED來(lái)料的依據(jù)，以及對(duì)SMT打件起到參考作用，為研發(fā)和生產(chǎn)順利進(jìn)行打下良好的基礎(chǔ)。

七、小結(jié) 

本文通過(guò)對(duì)直下式模組燈條設(shè)計(jì)做了詳細(xì)的介紹，包括對(duì)LED的規(guī)格以及與LENS匹配性、LED顆數(shù)的評(píng)估、燈條PCB板Layout設(shè)計(jì)規(guī)范、LED壽命設(shè)計(jì)、LED混BIN規(guī)范，希望對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)人員起到參照和借鑒的作用。

參考文獻(xiàn)

[1]  LED的光衰和壽命測(cè)算

[2]  創(chuàng)維內(nèi)部資料《科技論文集》

（注：本文刊登于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年11期）