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LED背光光源应用

发布者:topday   发布时间: 2010-12-31 08:44 浏览次数: :

  一般而言,单颗LED封装,通常会被以“一级LED”称之;多颗LED的芯片共同装配在同一组金属基板上,这类LED组件通常会用“二级LED”称之,二级LED用途相当多,可采模块化设计因应各式对光源应用的设计需求。当然,多数的设计方案,均可利用一级LED的电、热与模型进行二级LED(模块)的热、电特性测试与模拟,但前提是需要在实验室进行更多的参数调整,例如,针对实际散热环境,于测试项目加入参数条件影响,如此建立的模型才有进一步调修的效益,而不会与实际现况相差过大。

   LED光源,近来不只是在日常用光源获得进展,在组件本身的发光特性与效率,也得进行大幅度改进,但即便目前发展LED替代性环保光源已是绿色能源产业中相当重要的一环,但实际上LED光源应用市场仍处于开发阶段,反而是目前使用最大量的LCD TV背光设计成为LED光源的重点应用,改善设计对于节能目的有更显着效益。

  在开发各式绿色能源应用方面,可以从电能的来源、应用的模式多方着手,目前电能的来源可自水力、风力、太阳能等汲取丰沛的能量,但水力发电在大用电量的都会区域,可能因为土地开发密度较高,或是需仰赖环境因素问题,造成其发展上的限制较多;风力发电的部分可能会有季节因素环境差异,影响期发电量;太阳能虽具备较高可行性,但目前能源转换率还需更多技术突破,或是需仰赖更完善的政策补贴,才有可能成为较佳的绿能来源。

  综观现阶段绿色能源发展趋势,在产制能源的方面,光从能源的来源端着手,目前普遍在成本面、效率面并无法达到消费者的期待,反而从终端产品进行节能产品的开发,甚至透过政策与认证规范着手,去进一步强化用电效能,其中以家电中最普及的电视,在此趋势下的发展最为显着,尤以LCD TV改以LED光源的发展趋势,最为明显。


针对LED性能及热管理优化设计

  目前想提高LCD TV BLU的LED亮度,有两种方式,分别是增加单一LED芯片亮度,或是采取多颗密集排列方式去设计,但这些方法都面临到需输入更高的电能,以目前的技术来说,输入LED的能量约20%会转换成光源,剩下80%转成热能散逸,若能在单颗封装内送入倍增电流,其组件发热也会呈现倍增状况,尤其LED的散热面积极小,散热问题会逐渐恶化。

    以LCD TV BLU应用环境观察,使用LED数量超过50个,即使实行高亮度LED,也要密集排列并长时间点亮,因此更需积极面对有限散热空间内的高效散热需求,但很不幸的,LED产生的热对LED晶粒本身也会造成严重问题,当晶粒温度升高时,量子转换效率导致发光强度下降、寿命也跟着下降,连带造成放射波长改变、色彩稳定性降低,加上LED因受热时不同材质膨胀系数差异,组件本身会有热应力累积,同时让产品可靠性降低、使用年限降低,在机构设计方面,除需考虑外观的设计要求,加入主动散热机制也是一个有效的改善方法。
 LED逐渐取代CCFL

  LCD TV在产品的发展趋势下,逐渐朝大画面、高对比度、高反应速度等趋势演进,而LED在发光效率持续提高、使用寿命延长及广色域需求发展下,持续推动发光二极管LED取代冷阴极荧光灯管CCFL,成为液晶显示平面电视的背光选择。

  为提供大尺寸LCD TV足够的背光亮度,LED的背光设计方案,需要实行大量LED数组方式设计,根据排列的形式,LED背光单元(BackLight Unit;BLU)可分为侧光式LED BLU(上/下或4 Side)和直下式LED BLU两种,一般LCD TV背光多采CCFL在面板背面采等距排列形成背光形式,搭配导光板将棒状光源改善成接近面光源,相同的LED TV背光也可采取相对的取代方式,利用LED Light Bar去取代CCFL,但多数设计改用高亮度LED处理,通常省成本的作法仅安排面板上方与下方两个侧向光源处理即可。

 

CCFL背光设计样式

  而在侧光式LED BLU中,最关键的就是需要将LED的发光效率发挥到最高水平,即必须在供电部分需要高效率、高升压比的DC-DC转换,来驱动大量串联的LED Light Bar串,虽然串联的DC-DC转换器可以因应这些设计需求,但相对的,也因为这类用法带来一些新的挑战,例如,电路复杂度提高、多个离散组件造成的成本提升。

    观察LCD TV开发与产制成本,会发现BLU对应用总成本影响相当大,因为BLU的组件、电路成本,已占了LCD TV的总成本超过30%。BLU的设计与设置方式,对于LCD TV最后实体产品的运行效能也有举足轻重的影响,例如,虽然侧光源可以减少LED用量,但却对于最终产品呈现的显示效果,如角亮度(angular luminance)、对比度、亮度影响颇大。

  在BLU光源的技术与科技,CCFL被LED取代,在还没有比LED更环保的光源来源前,已是无法避免的发展趋势,作为CCFL的替代品,LED在色彩表现力、产品使用寿命各方面,均优于CCFL组件表现,因为LED拥有不会与实际RGB波长的峰值重迭之RGB波长,另外LED还很容易被小型化制作,组件本身非玻璃灯管,在物理特性方面具抗震能力,但LED也有部分缺点,例如,现阶段实行的设计,高亮度LED组件成本较高。

    以LED取代CCFL,可以让大尺寸LCD TV的省电效能更加显著

  以大尺寸LCD TV为例,BLU采边缘排列若使用50~60个LED,这必须提供一个高压、稳定的电流供应来源!而为了将交换式电源供应器提供的24V输出,利用DC-DC倍压方式将电压提升至至少130伏,常见方式会实行串联升压转换来完成相关电路设计,但这类设计方案还是有部分限制,尤其在成本与驱动LED的电路设计复杂度,始终是这种设计方案较难克服的关键。而解决这类设计需求,另一个方向是选择使用具高升压比的DC-DC升压转换器,藉此简化电路设计,建构相对高效率、具成本效益的BLU电路解决方案。
       若采直下式LED背光搭配区域背光调整,可让显示对比相对提升

  而LED组件最大的问题在于其为“点”状光源,但LCD TV BLU的应用场合中,设计方案需要的是均匀的“面”状光源,而LED的有效光辐射(发亮度和/或辐射通量),也会严重受其组件的结温影响,而产生影响寿命的问题与光衰现象。

本文链接:http://www.leddianyuan.com/jishuzixun/2010/1231/595.html

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