液晶电视的LED背光

龙鼎微电子公司 茅于海

DisplaySearch的数据显示， 2006年CRT的产能估计超过2.5亿个，2010年将远低于1.5亿个。市场调研公司iSuppli同样预计平板显示器将越来越普及，特别表现在电视领域。公司预计2009年LCD在电视市场中的出货量比例将达到48%，而CRT则只占42%。 而据中国赛迪公司预测，2007年中国的平板电视产品就将超过非平板电视产品，而到了2010年，非平板电视就只剩下9.1%.


2006－2010年中国平板电视市场销售量预测


现在发展的趋势已经很明显，液晶电视将会成为大屏幕的平板电视的主角。和等离子体电视相比，其优势也是很明显的。下面是赛迪公司在2007，01的预测。



2006年中国生产了2000万台液晶电视，其中7成以上用于出口，国内销售了380万台。而且平板电视的尺寸越来越大，现在的主流尺寸是32寸，占销售总量的二分之一。今后主流很快就会变成37”、40”。

家用电视的这种趋势也潜伏了一个问题，就是液晶电视机的耗电越来越大。40”液晶电视机的耗电平均为220W－250W，其耗电主要是背光系统的耗电，还有就是音频功率放大器的耗电。

液晶电视的CCFL背光

可以说到目前为止，绝大多数的液晶电视机仍然采用CCFL（冷阴极荧光管）作为背光。


图一. 液晶电视机的CCFL背光系统

采用CCFL作为背光的最主要的优点是发光效率高。但是，因为它含汞对环境造成破坏，所以已经被欧盟明文禁止。欧盟的RoHS规定从2006年7月1日开始禁止含汞的CCFL进口，如果一定要进口就必须缴纳10美元的有害物质处理费。而且用CCFL作为彩电的背光，在彩色的表现能力方面也显出明显的不足。因为CCFL实际上是用电子轰击水银蒸汽而产生的紫外线再激励涂在管壁上的荧光质而产生白光。它的光谱和真正的白光（太阳光）相去甚远。只能和液晶屏里的滤色片勉强匹配。图二表明了CCFL的光谱和红绿蓝三色LED的光谱和滤色片匹配的情况。


图二. CCFL和红绿蓝LED的光谱和滤色片匹配的比较

正因为这个原因，采用CCFL背光做成的液晶电视机的色彩表现能力远比CRT电视机差。这可以从图三色域三角形定量看出。


图三. 色域三角形表明采用CCFL背光的液晶电视只能显示NTSC标准的76％色彩

图中NTSC三角形实际上是CRT彩电屏幕上所涂覆的三种红绿蓝荧光粉的色域，而CCFL背光是图中黑色三角形的三个顶点实际上是图二中三个光谱峰值的位置。显然它所能显示的色彩要远远小于NTSC标准。通常只有76％的NTSC三角形的面积。所以大多数液晶电视的色彩没有CRT彩电那么绚丽多彩。这实际上是由CCFL背光所造成的，和液晶本身没有什么关系。只要改变背光光源的光谱就可以克服这个问题。

CCFL还有很多其它问题和缺点，例如当采用PWM对其进行调光时，因为它的气体放电不可能很快关断，所以就要采用比较低的PWM开关频率（30－200Hz），这就会使得它在表现动态的画面时产生跳动。又譬如它所能实现的对比度有限，通常在1000:1左右。它的寿命相对较低，约为3万小时左右，使用时间长以后就会变黄，使得彩色表现更差。还有它需要高压供电，当升压升到600伏时，会产生电磁波干扰；它是一根玻璃管，经不起振动和冲击，…。

CCFL剩下的主要优点就是发光效率比较高，成本比较低，技术相对成熟。

用白色LED作为液晶电视背光

LED早就在小尺寸LCD屏幕中作为背光，例如手机、PDA、PMP、GPS等1.5”-7”大小的屏幕。而现在它的小尺寸屏幕的市场已经正在被OLED所蚕食。而它又逐渐向更大尺寸屏幕发展，去蚕食本来是CCFL的市场。例如笔记本电脑的LCD背光，已经开始逐渐被LED所取代。在这些小屏幕的应用中，大多数直接采用白色LED作为背光。

LED相对于CCFL当然有很多显著的优点，例如无汞、寿命长、亮度调节范围大，对比度大，动态画面连续感强等。

LED相对于CCFL的最大缺点是发光效率低，CCFL通常在80－100流明/瓦，而LED的发光效率只有30－60流明/瓦。然而由于CCFL是圆柱形，它所发出的光是无方向性的。当它放在LCD屏幕下方时，尽管采用半圆形反光镜，可以认为仍然有相当多的一部分光被浪费掉了。而LED通常采用侧光辐射，所以它的光可以比较有效地利用。


图四. CCFL背光有很大一部分光被浪费掉

所以，虽然LED的发光效率比较低，但是它所发出的光线被有效地利用，所以总体来说，它的效率还比CCFL要高。目前，WLED背光已经开始应用到笔记本电脑中去，在笔记本电脑中，至少需要用40颗以上的WLED。最早使用WLED背光的是Sony的VAIO TX型笔记本，它的结构和CCFL结构的比较如图五所示。它的厚度只有CCFL背光的一半，而重量也减轻了26％。


图五. 采用WLED背光的笔记本电脑和CCFL背光系统的比较

更重要的是，采用LED以后还更为省电。台湾的奇美电子展出了一款14.1寸的WLED背光屏，其总耗电量不到2W，而采用CCFL的同样尺寸液晶屏，其耗电量为3W。从而可以提高笔记本电脑的电池续航能力。

然而用于液晶彩色电视的背光还是有更多的要求，最重要的是它的色彩表现能力。白光LED并不是理想的白光，因为通常的白光背光LED是由蓝光LED和黄光荧光粉合成。其光谱（图六中实线）离纯白光（图六中虚线）相去甚远。

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图六. 蓝光黄光混合的光谱（实线）和白光光谱（虚线）的差别

所以，这种白色LED作为背光只能得到80％NTSC色域，相对于CCFL背光只有很小的改进。所以用在笔记本电脑背光还是可以的，但是如果要用到液晶彩电就还是比较欠缺的。

为了得到非常接近天然白光光谱的LED背光，就必须采用红绿蓝三种颜色的LED来合成白光。

用红绿蓝三色混成白光

我们知道，由红绿蓝三种色彩就可以组合成白光。其比例如下：


由其中可见，要构成白光，所需要的绿光的亮度要最亮，其次是红光，蓝光只要很少就可以了。这也是为什么通常需要两颗绿光LED的原因。

图七表明了采用RGB三色LED作为背光源的结构示意图。背光板的散热是一个很重要的问题，尤其是在目前LED的发光效率还不是很高的时候，通常需要采用几百个LED。其所散发的热量是很可观的。图中表现出空气是怎样流过所有LED以带出它们的热量。


图七 采用RGGB三色LED作为背光源的结构示意图

彩电的LED背光也可以采用侧光照射的方法。Luminus公司最近开发出了一种称之为PhlatLight的LED芯片，它把RGGB四个芯片组合在一起，构成一个发光单元。然后采用GLT公司的侧光导光板把光线均匀地散布到整个屏幕上去（图八）

图八. 采用PhlatLight的RGGB LED模块的侧光系统

据说采用这个侧光导光系统以后，可以把原来需要几百个LED的背光源减少到只要12个，其亮度可达8500 cd/m2，厚度只有15 mm，功耗也减少了20％。

采用红绿蓝三色LED作为背光时，其光谱和原来LCD屏幕中的彩色滤色片的透光光谱特性是非常匹配的（见图二）。所以它的色彩表现能力就比CCFL和白色LED要改进很多（见图三）。通常可以超过NTSC的色域范围，达到110％以上。可以这样说，当人们第一次看到采用红绿蓝LED背光的液晶电视以后，无一不为其所表现的绚丽多彩而惊叹。这才彻底改变了人们对液晶彩色电视的看法。

总结以上所述，用WLED背光相对于和CCFL背光比较如下表所示：



2004年8月9日，Sony公司在东京推出了采用LED背光的液晶电视机QUALIA005。然而由于早期的LED背光只是简单地把红、绿、蓝三种颜色的LED混成白光来代替CCFL。可是它的成本高、价格贵，Sony QUALIA 46”要卖7.7万元人民币，40”的也要卖5.8万元人民币。而且它的耗电大， Sony QUALIA 46”耗电550W；40”耗电470W，为同样尺寸CCFL背光290W的1.6倍。显然这种LED背光是不可能被市场所接受的。

用场顺序方法除去滤色片

目前所有的液晶电视机都必须采用滤色片，以便从白光中分离出红绿蓝三色。自从有了RGB三色的LED作为背光以后,这种滤色片似乎成了多此一举。何必先把RGB合成白光，再把白光分解成RGB三色？但是想要直接用RGB的LED来取代滤色片看上去好像很简单，其实是不可能的。因为滤色片是把每一个象素都分成三种不同颜色的子象素，如果直接用三种颜色的LED来取代滤色片，就必须采用小到和子象素尺寸一样大的LED来照射每一个子象素，才不至于红光照到了绿光的子象素上。这样，LED的个数就要几百万个之多。为了维持象素数不变,唯一的方法就是重复使用这些象素,也就是采用时分复用制。这时就只要顺序地发射出红光、绿光、蓝光，同时控制每个象素的薄膜晶体管（TFT），使其相应地按照这个象素在这种颜色时所应当具有的的强度来开启液晶光阀。但是要能够顺序地发出红、绿、蓝三种颜色，而还能够形成一个彩色的视频图象就必须利用人眼的视觉残留作用。只要这三种颜色顺序重复的周期小于人眼的视觉残留时间，就可以在人们的大脑中形成一个彩色的图象。这个视觉残留的时间实际上也就是电视的场频的周期，在PAL制中为五十分之一秒。这也就要求在五十分之一秒的时间内必须完成红、绿、蓝三个图象的显示。所以这种方式也称之为“场顺序”体制，也有人称之为“色顺序”体制。它的工作时序如图九所示一个视频场


图九. 场顺序的工作时序

所以场顺序实际上就是让液晶屏顺序地发出三种不同颜色的图象，然后靠人脑来合成彩色图象。从人眼睛感受到的效果来看是完全一样的。然而在硬件实现上就产生了极大的差异。

首先，这种方法省去了彩色滤色片，而滤色片是光能的主要吸收者，它要损失光能70％以上。图十表明了光能从光源出发以后所受到的损失。


图十. 从背光源出发的光能的损失

拿掉滤色片以后，不但免除了滤色片的光能损失，而且还可以省掉滤色片的成本。滤色片的成本在总成本中占19％，是相当可观的一部分（见图十一）。实际上省去滤色片以后，还可以提高成品率，减少生产工时，这些都是很重要的无形改进。


图十一. 背光板的成本分析

其中背光源的成本是基于CCFL的数据，如果采用LED作为背光源，它所占的成本就大大超过这个比例。下面表中所示的数据虽然是2005年第四季度的数据，但是也还能够看出其相对的关系。CCFL占22％的成本，而LED却要占到77％的成本。



采用场顺序制以后，发光效率就提高了70％，这是非常可观的。这意味着LED的数量就可以减少70％，LED的成本就可以减少70％，假如我们仍然采用上面的数据，那么它的成本可以从270美元降低到81美元，总成本降低为158.2美元，所占比例也就降低到51％。 [!--empirenews.page--]

LED数量减少70％以后，其发热量也可以减少70％，耗电也可以减少70％。这些都是非常重要的改进。

不仅如此，采用场顺序以后，因为不需要再把每一个象素分为三个子象素，薄膜晶体管TFT也可以减少三倍，所以相当于把象素面积加大了三倍；或者说，如果保持象素面积不变，在和原来相同的屏幕尺寸时，就可以把分辨率提高三倍（见图十二）。


图十二. 场顺序不需要把每个象素分成三个子象素

由此可见，采用场顺序后所带来的好处是不计其数的。



而且，也只有采用场顺序以后才能够使得LED背光能够实现商业化。才能够真正和CCLF竞争。

三星公司在去年推出了几款采用场顺序的LED背光液晶电视机。其中一款为40”的LE40M91，它的分辨率为1366x768，色域达到110％，对比度可达10000:1，亮度可达450 cd/m2，场频为100Hz，背光系统的功耗比CCFL降低了70％。背光板的寿命提高一倍以上，更重要的是不含汞，符合RoHS标准。它的售价为3000美元。


图十三. 三星生产的场顺序液晶电视机LE40M91

区域亮度控制

采用LED背光以后，还可以用区域亮度控制来进一步降低背光功耗。它的基本考虑是这样的。因为实际的图象在每个具体部位的亮度是不一样的有的可能区域比较亮，有的区域可能比较暗。那么就完全没有必要采用均匀亮度的背光，而可以采用根据图象内容决定的区域亮度控制。它把整个屏幕分隔为例如20个等份，根据图象内容测出其平均亮度，而决定了这个区域所需要的背光亮度，然后对该区域的背光LED的亮度利用PWM技术进行实时控制，从而实现节能的目的。在采用背光的区域亮度控制以后，该区域的图象信号也要加以相应的补偿，以免产生亮度失真。

显然，CCFL背光是不可能实现这种区域亮度控制的，一方面是因为CCFL的形状是长条形，根本无法按屏幕分成20个等份的区域；另一方面，是因为它的亮度也不可能按照图象的内容进行快速的调整。

韩国LG公司称这种技术为AFLC（Area Focused Luminance C ontrol,即区域聚焦亮度控制）技术，而日本的NEC称之为AGCPS（Auto Gama Control and Power Saving, 即自动伽码控制和功耗控制），采用这种技术以后，功耗还可以减少一半。

所以如果把场顺序和区域背光相结合，就有可能把整个背光系统的功耗降低为CCFL的一半一下。这是非常惊人的功耗节省。

LED背光的驱动电流和系统

为了产生彩色就需要RGB三种颜色的LED，如果每个灯的亮度可以控制到4096级（12bit），那么就有可能实现687亿种颜色。通常把同一种颜色的LED串联起来，以得到相同的电流。由于LED的发光通常会受到其本身温度的影响，而且温度还会改变其颜色，所以在高质量的液晶屏中还需要采用彩色传感器和温度传感器，以便随时监测LED的颜色和温度，然后再用PWM来控制各种颜色的LED的发光。整个系统的框图如图十四所示。


图十四. 带有彩色和温度传感器的RGB LED背光的控制系统

用于LCD TV的背光LED要求有较大的功率,通常每个高亮度LED的压降为3-4伏,电流则高达500-700mA。为了驱动如此多的LED，势必需要很高的电压。由于通常LCD TV都是用交流供电的。所以最好采用由交流市电直接整流而得到的电压供电。先把桥式整流得到大约250伏DC，直接用来驱动70多颗串联的LED。然后再对LED进行恒流调节。这种转换方案对输入端的功率因子要求很高，所以还需要功率因子校正（PFC）。而图十五的一种驱动电路可以自动起到PFC的作用，因而不再需要单独的PFC芯片。

结束语

采用LED作为液晶电视的背光已经是不可逆转的潮流。根据Insight Media 在2006年作出的估计，用LED背光的LCD TV将在2010年超过CCFL背光的液晶电视机。其估计的绝对数字远远偏小，但是其相对估计还是可信的。


LED背光看上去好像没有什么太复杂的技术，但是如果要应用到液晶电视中就含有很多非常复杂的技术。如果不早一点起步，我们又将远远落后于日本和韩国。永远跟在他们的后面。甚至会再一次面临缴纳巨额专利费的困境。“中国是家电生产的大国，但是不是家电生产的强国。”我们必须彻底改变这个状况！唯一的方法，就是要加大研发的投入。美国的很多企业都将营业收入的20％以上用于研发。希望将来政府也要鼓励和支持企业加大研发的投入。这才是中国企业的出路！