采用高亮度LED背光源的液晶显示模块

摘要：介绍了一款高亮度LED背光源显示器前端模块，它是采用恒流源驱动的高亮度LED发光矩阵为背光源，取代了传统的CCFL背光源，文中对两种背光源的应用及性能进行了比较，介绍了NS公司的开关型的稳压器LM2733，芯片做为恒流源驱动芯片在显示模块中的使用方法，该模块采用单片机产生脉宽调制脉冲进行亮度调节，实现了相关画面的输出和控制。
关键词：高亮度LED；背光源；脉宽调制

0 引言
    由于传统LCD显示设备上CCFL(Cold Cathode Fluorescent Lamps，冷阴极荧光灯)背光技术及产品的某些先天不足，例如色域狭窄、能源利用率低及功耗较高和寿命短小等，所以人们一直在寻找着其替代技术及产品。近几年来随着高亮度LED(Light Emitting Diode)不能发出白光的技术问题解决之后，为其在显示领域的应用奠定了根本性的基础。随着其驱动技术的日趋成熟，高亮度LED背光技术产品便被纳入了人们的选用范畴，开始广泛应用于各种显示设备中。

1 高亮度LED背光源液晶显示模块结构
    液晶模块的显示屏采用SHARP的3．8时液晶屏，整个液晶屏安装在坚固的金属机箱内，为了进一步降低EMI，显示区域用金属丝网屏蔽玻璃同外部机壳紧密连接，只在背后引出一个插座同主机控制信号和显示信号连接，这样形成一个整体的屏蔽外层。
    原先SHARP的3．8时液晶屏采用CCFL(冷阴极灯管)背光源，亮度指标为240cd／m2，为了进一步降低EMI，显示区域用金属丝网屏蔽玻璃后，亮度下降了20％，为了使亮度达到指标要求(686cd／m2)，采用了高亮度LED矩阵安装在液晶屏背后作为底背光背光源，该背光源用160个高亮度LED按8串10并共2组均匀排列在90mm×64mm的印制板上，印制板采用铝基板并同外壳紧贴以散热。用脉宽调制恒流源控制亮度，达到显示效果。

2 液晶背光源组件
    液晶屏是一种被动显示单元，必须有背光源才能看见显示内容，目前常用的液晶屏背光源组件主要有CCFL和LED两种背光源，CCFL是目前采用最多的TFT液晶显示器驱动背光源，LED主要用在手机等小型显示屏背光上，但是近几年随着LED不能发出白光的技术问题解决之后，为LED在显示领域的应用奠定了根本性的基础，LED背光源开始广泛应用于大屏显示器，而且发展速度越来越快。
2．1 CCFL灯管和LED灯条性能比较
    (1)CCFL灯管工作在600V～1500V的高压状态，产生如此高的电压需要复杂的驱动电路，其输出的元器件、导线都需要专门的耐高压材料，为避免放电，对印制板布线也有较高的要求；LED工作在低压直流状态安全性能好。
    (2)LED灯条色域更广，色饱和度可做到105％以上，因此色彩更鲜艳，而CCFL则较窄只能做到75％，LED响应速度更快(ns级)可以解决LCD显示过程中的拖尾现象，而CCFL响应速度为ms级，用CCFL做背光源的LCD显示器一大缺陷是“黑屏”不黑，如果采用LED做背光源则可以很好地解决这一问题，因为它的调光范围更宽更稳定。
    (3)LED温度特性更好，在-40℃～+100℃均可正常工作，而CCFL低温亮度低，长时间工作寿命下降快，低温启动电压超过常温的1．5倍，并且CCFL在高温工作下光衰明显。
    (4)由于LED背光源采用贴片焊接，其抗振性能优于CCFL背光源。
    (5)理论上LED寿命可达10万小时以上，而CCFL通常在2万～5万小时。
    (6)节能环保，能耗比冷阴极背光源低52％，并且没有冷阴极管的汞污染。LED是半导体通电发光，没有电磁辐射，对人体无害。
    以上性能优点决定了LED背光源在技术上是冷阴极背光源的替代产品。

3 电路图及原理
3．1 LED工作原理及恒流源的选择
    为了使LED导通而流过电流，就必须给LED加上足够的电压，这个电压就是LED的正向电压VF，通常白色LED的正向电压约为3V～4V，其具体数值因制造厂及环境的不同而有差别，因而LED不适合用恒压驱动，如果加在LED上的电压超过正向电压，则流过LED的电流会急剧增加，过大的电流会造成LED损坏或短寿，因此LED应采用恒流驱动，使电流不超过其额定电流，由于LED发光随着电流不同，光谱也不同，电流变化发光的颜色也会出现明显的差异，这样若采用改变电流来调光，则不能保证发光颜色的一致，因此最好的办法是采用PWM(脉宽调制)调光，利用人眼视觉暂留效应，只要高于某一频率的电流驱动LED其平均亮度就会让人感觉不到闪烁，使得PWM调光成为可能，为了最大限度发挥LED的特长需要选择合适的驱动电路使LED能均匀地发光且发光效率最高。
    根据上述条件我们选用NS公司的LM2733芯片作为恒流源为LED供电，该芯片是开关型的稳压器，它属于电流模式的升压型的DC—DC变换器。它的内部含有一个耐压达到40V、低导通电阻的DMOS场效应晶体管开关，能够使变换后的输出电压达到16V以上。同时，该稳压器还具有关断(shutdown)功能，能够有效地减小电路的静态电流，内部的热保护模块和过流模块为稳压器提供保护过热和限流保护。稳压器具有以下的特性：开关频率固定(有1．6MHz和0．6MHz两种)、低导通电阻的Dmos开关管开关电流可以达到1A，具有很宽的输入电压范围，输入电压可以从2．7V～14V。在关断模式下的静态电流低至1μA，内部的补偿电路可以减少外围电路元件的数量。该稳压器采用SOT-23封装，同时外围采用小电容和电感可以有效地减小PCB板的面积。将工作电压变换为与VF对应的电压，向LED提供稳定的电流，并受外部PWM调光信号的控制，使该恒流作高速通断，这样既达到技术要求的亮度，又可通过PWM调节亮度。
3．2 LM2733的典型应用电路
    图1为LM2733的典型应用电路图，输入的电压由VIN输入，设定输出电压由于在稳定时FB引脚的电压由带隙基准电压源设定为1．23V，所以输出电压。根据通常R2取12kΩ以使得分压电阻的电流为100μA，R1的取值可以按照上述的VOUT的计算公式来计算。

3．3 背光驱动及原理
    本显示器背光板采用直下式背光，160个LED按8串10并共2组均匀排列在90mm×64mm的印制板上。恒流源一组电路图如图2所示，共两组。

    (1)当MOSFET打开时，12V从L1流过MOSFET到地，即引脚SW接通到地，D2截止，L1根据指数曲线储能，L1的储能不会流向C2。
    (2)当MOSFET关闭时，L1的电流从D1流到C2，由于L1的电流不能突变，根据U=I*R(R为从D2-LED-R3的总电阻)，因此会产生一个高于12V很多的电压，根据公式
   
    8个LED串联，每个按3．2V算Vout=25．6V，R2取12kΩ。
    根据上述公式计算出R1=240kΩ。
    (3)流过R3的电流形成反馈电压给FB引脚，从而调整脉宽，达到稳定输出的目的。
    SHDN引脚接VIN时内部以固定频率1．6MHz开关，接地时输出为0，本电路接控制电路的脉宽调制信号(PWM)来控制输出脉冲的大小，从而改变LED的亮度。
    反馈电阻R3在这里起的就是限流作用，FB引脚在SHDN为高时(此时即PWM脉宽为最大时)始终保持1．23V，取R3=8．2Ω即流过LED的电流为(1．23+0．4)／8．2约为198mA。由于10路并联，所以每一路(8个串联)的LED最大电流为20mA。所有的LED加在一起总功耗为0．02×3．2× 160=10．24W。此时外接稳压电源12V的输出电流为0．98A，除去芯片自身功耗50mA，可得效率为10．24／(12×0．93)=0．91。
    这是一个相当高的效率，尽管电流降了很多，但此时的显示模块仍达到了800 cd／m2，完全达到了显示器指标要求。

4 设计中的注意事项
    (1)由于160个LED发光管焊接在很小的印制板上发光必然造成温升，而温升越高效率越低，因此必须要采取一些散热处理和功率限制。为了散热，LED背光印制板采用了铝基板制造，并和外壳紧密结合，使显示器内部的热量能够导到外部。
    (2)二极管应该选用肖特基二极管，外围电容器最好选择多层的陶瓷电容器，对于高频的开关型转换器来说，陶瓷电容器具有最低的等效串联电阻和最高的谐振频率。输入电容器C1有助于减小输入端的纹波，通常我们可以选择2．2μF的陶瓷电容(选择较大的容值电容器也可以)。对于大部分的应用来说输出电容器C2的取值可以选择47μF。所有的外围器件应该尽可能地靠近LM2733，推荐使用4层的PCB板，采用内部的地线层。因为C2和D1上的寄生电感将会增加噪声，所以L1，D2和C2之间的连线应该尽可能的短。反馈元件R1，R2，R3应该尽可能的靠近FB引脚，这样能减少从FB引脚引入的噪声。
    (3)PWM脉宽调制信号由单片机产生控制，使LED能均匀地发光且发光效率最高。

5 结束语
    本文通过传统的CCFL冷阴极荧光灯背光源和高亮度LED背光源性能对比，确认LED背光源必将广泛应用于各类显示设备。并通过应用NS公司的IM2733芯片作为恒流源，制做了一款高亮度LED背光源液晶显示模块，达到显示效果和亮度指标。目前随着LED背光源的广泛应用，LED发光管数量的不断增加，功率更大，功能更全的芯片(LM3432、LM3675、LT3476等)相继作为恒流源被广泛应用于实际工作中。