摘要：随着人们对生活质量要求的提高，对液晶电视的追求和要求也越来越高。人们对大尺寸的 LED 超薄电视更是钟爱，因为液晶玻璃本身不会发光 , 所以大尺寸的 LED 液晶电视为了更好的形成影像，所需的背光模组就成为液晶电视的重要组成部分。传统的背光模组中最常使用的是冷阴极荧光灯简称 CCFL，它的缺点就是色彩还原率不稳定，并且含一定量的汞蒸气，对人体会造成一定伤害。LED 背光模组作为新的发展方向，不仅能充分、均匀的对影像色彩进行还原，不含汞蒸气对人体无害，而且使用寿命较长。另一方面，传统的冷阴极荧光灯也就是 CCFL 背光模组，它对驱动电压的要求标准较高，要上千伏的电压和专门的逆变器才能工作，并且驱动线路相当复杂。而 LED 背光模组不仅损耗低，使用低电压就可以进行工作，控制也是相当方便。
关键词：超薄LED；背光模组；设计
前言：本文主要介绍超薄LED背光模组设计的方案及实现。通过分析传统液晶电视结构设计,着眼未来电视造型薄型化趋势,针对侧光式背光模组结构,提出了可实现的新颖的结构设计解决方案,文章详述通过一体化的结构设计,实现LED背光模组的厚度仅为0.88cm,同时液晶电视整机的厚度也为0.88cm,解决当前超薄液晶电视中LED背光模组的结构设计难点,为设计师在超薄液晶电视中LED背光模组结构设计方面提供一定的参考,以更好应对市场对超薄液晶电视的发展需求。
1.传统背光模组设计分析
电视从CRT时代走入液晶时代,也带来了背光模组技术。因液晶玻璃无法自发光,背光模组便成为了液晶电视必不可少的零件之一。背光模组大体结构是由前框、中框、光学膜片、导光板(扩散板)、光源、后框组成,根据光源的位置不同分为直下式(图1)和侧光式(图2)。直下式背光模组的光源位于出光面的下方,线(点)光源通过反射片的反射和扩散板及光学膜片的扩散,转化为均匀的面光源,光源与扩散板间存在一定的混光距离。与之不同,侧光式背光模的光源则位于发光面的侧边,线(点)光源通过导光板的网点和光学膜片的扩散,转化为均匀的面光源,侧光式背光模组在薄型化上比直下式更有优势。随着液晶电视的发展,人们对液晶电视的外观追求越来越高,特别是OLED惊艳问世，给液晶行业带来了极大的震撼。面对OLED的超薄挑战,液晶电视的超薄化设计是当务之急,而这也是背光模组急切需要解决的问题。
图1 直下式背光膜组
图2 侧下式背光膜组
2.液晶电视LED背光模组设计
2.1结构设计
以LED背光源是侧光式超薄结构设计为例，它的整个结构包括：LED 灯条、驱动板、膜材、导光板、散热块、上框架、背板。背光源采用白光 LED，整个结构设计以 ActiveArea的中心点为所有部件的设计中心，以液晶电视所用液晶屏的尺寸为前提，设计其它尺寸。综合考虑电路设计及光学设计的要求，对结构进行设计。结构设计先从 LAYOUT 布局图着手，表达整体机构以及各部件相互之间的装配关系，然后着手零件图结构设计。上框架采用分段式设计，在长度方向上分段，避免长度过长。灯条的出线端设置在背板的四个角处，减少绕线长度。
2.2光学设计
背光模组的作用是把点光源发出的光通过漫反射使之成为面光源。为了得到合格的面光源，首先要选择合适的 LED，本设计采用的是白光双芯片 LED。通过预设白场光度指标，结合对液晶屏、光学膜等影响因素的研究分析，完成对整个背光源所需光通量的计算。根据计算的光通量，结合 LED 的光学特性计算出所需 LED 的颗数。
2.3电路设计
LED背光源电路设计主要包括 ：灯条设计、驱动控制电路设计。首先，光源采用双芯片白光 LED，灯条分布在背光源的四周。为了达到更好的电流均一性，灯条采用串并混联，实行两并多串。为了取得更好的散热效果，LED 灯条采用铝基板加工制作。整个系统输入电压为24V，此电压由外部电源转换器提供。其次，驱动控制电路设计上，驱动芯片是三路峰值电流模式PWM 控制器，通过闭环控制输出电流提供高精度 LED 电流。该芯片包含三个峰值电流模式控制器，给 IC 提供反馈，以确保更高效率和更高精度。芯片上的栅极驱动器进行了优化，用来驱动0.25A 源电流或0.5A 沉电流的逻辑电平 FET，每个输出电流可通过线性或 PWM 调光方法进行单独调光。该芯片的闭环系统能动态调节它的输出电压，以适应 LED 电流的线路和负载调整。单一封装内集成的三路驱动器保证了每串间有更好的电流匹配，同时降低了整个系统的芯片数量。具有40V线性稳压器，提供5V 电源给 IC 供电，三个转换器的开关频率由内部振荡器控制，三路有120°的相位差，以降低输入电流波纹。高压驱动，电流匹配度良好。LED 串间电流精度为±2%，支持线性和 PWM 调光。
3.液晶电视LED背光模组的超薄化设计
3.1增加 LED 光出光角设计
由于现有的传统出光角比较小（120°郎伯体分布），不适合做超薄型直下式 LED 背光。可以考虑让传统 LED 的出光角增大，为了达到这个目标，本文提出了一种可以使 LED 发出的光发散增加出光角的透镜。当 LED 射出的光线在法线的下侧时，折射光线就会向下偏转，即光会发散。基于这个想法，考虑可以把透镜的内表面设计成一个锥形面。而这个锥形面的顶角在一定范围内情况下，可以使 LED 发出的光线完全散射。经过研究发现，当顶角 A 小于出光角时，发出的光线绝大部分会发散。如果得出光角为 ±60°，则就可以取在0-60°。然后把透镜的外轮廓做成半径比较大的圆弧状，使圆弧上每一点的出射光线都能相对入射光线向下偏转，即光从介质出来的时候也会发散。光线进入透镜和穿出透镜两次发散，使普通的出光角大大增加。
3.2背光设计
把以上提到的新型LED应用到的直下式背光模组中，按照光从介质传出光路进行排列。这种方式的背光有诸多优点增加光利用率，减小LED颗数，降低LED 背光模组功耗并减少直下式背光混光距离，实现背光超薄化设计。这里提出的使用大光角度LED作为背光源的方法，搭配纵横交叉微结构扩散板的新型光学架构，实现了LED背光模组的超薄化设计 ；若采用多颗LED密排的方式，则会进一步减小混光距离，达到混光距离小于1cm的超薄化设计。LED颗数增多以后，为降低系统成本，可以相应降低单颗LED的功率，从而在背光整体成本变化不大的基础上实现超薄的直下式 LED 背光液晶电视。
结束语
综上所述，本文不仅提出了侧光式背光模组的设计方案，方案中还彻底说明了中框设计与背光模组的结合工艺，面对 OLED 的出现与优势，传统的背光模组已经逐步淘汰，超薄 LED 背光模组将是今后努力的方向及发展前景。
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论文作者:李街坊
论文发表刊物:《电力设备》2018年第24期
论文发表时间:2019/1/8
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