LED背光模组的侧入式结构设计与直下式低成本设计

LED背光模组的侧入式结构设计与直下式低成本设计

黎志鹏

广州启上设计有限公司510670

摘要：本文主要论述了侧入式LED背光模组四边无边框设计与改进的直下式LED背光低成本设计的相关内容。

关键词：电视LED；背光模组；结构设计；低成本设计

引言

以往传统的背光模组中，经常运用的是冷阴极荧光灯，简称CCFL。它的缺点是寿命短、发光效率低、色彩纯度低、色阶表现差、体积大、驱动电压高。LED背光模组作为现在主要的发展方向，不仅体积小、寿命长，不含对人体有害的重金属，而且发光效率更高。

1背光模组概况

LED背光模组按照光源所在位置分类为两种：侧入式和直下式。

传统侧入式背光模组指的是发光源位于显示器面板的侧面，光从光源发出通过导光板均匀分布整个画面。侧入式背光模组优点是体积小、轻薄便携，是背光模组中高端的选择。如图1所示，LED在导光板的一侧，背光模组由LED、导光板、背板、光学膜片和散热板等部件组成。发光原理是，光线从侧边LED光源发出，进入导光板，部分光通过导光板的散射网点射出导光板，穿过光学膜片，到达液晶面板。一部分光被反射片反射，重复被利用，大大提高光的利用率。

传统直下式背光模组的LED光源分布在背板的底部，均匀分布的LED发光到画面。如图2所示，直下式背光模组由LED、透镜、反射片、扩散板、光学膜片和背板等部件组成。发光原理是，光从LED发出，经过透镜，发光角度被打开，让光均匀分布在扩散板上，再透过扩散板和光学膜片，达到液晶显示面板。但直下式需要一定的混光距离，所以背光模组需要有一定厚度，相比侧入式的缺点是厚度大，优点是成本低。

2.2四边无边框侧光式背光模组的设计要点

2.2.1整体设计考虑

在背光模组开发前，要了解产品的定位和各项规格指标，包括亮度、均匀性和色域等，通过各个部件的材质特性搭配，以及液晶显示面板的透过率配合，设计出优秀的产品。

2.2.2灯条的设计

1）LED灯珠的选择

背光模组其实是将点光源有效的变为均匀的面光源，结合光学膜片的材质，以及液晶显示面板的影响因素，选择合适的LED灯珠，计算整体亮度所需的LED颗数和排布，从而达到预设的亮度和色度指标。

2）驱动控制电路设计

通常我们采用PWM控制器驱动电流。PWM通过占空比控制输出电流，可以精确地输出LED电流。所输出的电流可以线性调光单独控制，各路输出电流值公差为±3%以内。

3）散热设计

散热在LED背光设计中是一个大课题，特别是侧入式背光模组，LED集中在模组一侧，LED工作时会发出大量的热，假如不解决散热问题，LED的寿命和亮度会被大大的削减。为了确保背光模组的寿命和亮度，我们要对LED进行散热设计。效果显著的散热方案是，把LED贴在铝基板PCB上，铝基板的PCB导热系数比其他材质的PCB要高，在PCB下设计长条形的散热铝板，用导热双面胶把铝基板PCB和散热铝板粘在一起，这样LED的散热面积就增大了。

2.2.3导光板

导光板(Lightguide)是把点光源变成均匀面光源的关键部件。透明丙烯酸树酯(PMMA)是导光板的主要材质。光导入导光板后会在里面发生全反射。空气的折射率n=1.0，用n表示丙烯酸树酯的折射率n=1.49。导光板是光密介质，空气是光疏介质，当光线以大于全反射角入射时，光线被反射回导光板，被多次反射后才导出导光板。

四边无边框背光模组中的导光板形状如图3所示，入光端是斜面设计，光达到斜面时，被布有反射材质的斜面反射进入导光板。图4为扩散点法，导光板的网点制作一般是利用网版印刷方式来印制，这些扩散点是由高反射率且不吸收光油墨所制成，在靠近LED光源导光网点分布密度较疏而且网点较小，远离光源导光板较薄处的网点分布较密且网点较大。

2.2.4膜片

1）反射片

聚脂薄膜(PET)是反射片的主要材料。反射片放在导光板的底部，和导光板非入光侧的端面，反射片的作用是把向下传播的光线反射回导光板，重新被利用。

2）扩散片

PET和涂布粒子组成扩散片，主要放在光学膜片架构的最上面，主要作用是提高背光散射的均匀度。

3）棱镜膜

棱镜片的主要材质是聚脂薄膜，薄膜上有整齐排列的棱镜结构，棱镜片的作用是将光集中在70~90°，从而达到在可视角范围内亮度增加的效果，棱镜片也称为增光片。棱镜结构可以让光线在一定方向传播，把角度意外的光全反射回模组，重复利用。H棱镜片和V棱镜片搭配使用发挥最大的增亮度效果。

4）DBEF

3M公司研发出来的DBEF，这款膜片可以大大增加背光模组的亮度，而且可视角不会相应减小。DBEF的材质是有由约一千层光学薄膜复合而成，DBEF的厚度为0.1~0.4mm。这款光学膜的工作原理是改变LED发出的光的偏正方向，旋转成跟液晶玻璃下偏光片偏正方向一致。

3直下式低成本高亮度设计

传统直下式背光模组的LED光源均匀分布在背板底部，由于亮度的规限，一般直下式背光模组的LED排布较密，模组成本较高，不利于提高产品竞争力。要设计出不仅高亮度，而且低成本的直下式背光，关键部件是LED灯珠。以下是基于此方面提出改进的背光设计方案。

3.1增加LED亮度设计

CSP(ChipScalePackage)，中文意思是芯片级封装。CSP封装可以让芯片面积与封装面积之比超过1:1.14，已经相当接近1:1的理想情况。背光行业的CSP一般采用硅胶荧光粉压制而成，五面出光，光效高。在性能上由于CSP的小发光面、高光密特性，易于光学指向性控制。CSP在降低成本上具有潜在优势，除此之外，灯珠的耐更高温度及稳定性大幅度提高。CSP利用倒装芯片的电极设计，使其电流分配更家均衡，适合更大电流驱动，所以直下式背光模组，排布较少的CSPLED可以获得跟排布较多其他封装LED的同样亮度。

3.2背光设计

将CSPLED运用到直下式模组中，同样是通过普通LED的贴片生产工艺焊在PCB上，但灯条的数量可以大大减少。CSPLED配合大发光角度透镜，即使灯条的间距很大，光都可以均匀分布到画面上，少灯珠方案也可以得到一个均匀的白场画面。单颗CSPLED的光通量较普通LED有很大的提高，CSP直下式模组背光的亮度也可以满足产品需求。CSP无打线制程，产品可靠性更高。此设计使背光模组在变化不大的基础上实现了低成本的液晶显示电视。

4结束语

往后，为提高液晶电视的市场竞争力，需要开发和设计新型的背光模组，其中LED背光具有无边框、低功耗、低成本的特点是现在液晶电视背光模组的发展趋势。

参考文献:

[1]用于照明的侧光式LED导光板网点设计[J].高双红,杨俊逸,王蕾,冉红锋,何彩英.照明工程学报.2012(06)

[2]LCD导光板微结构成型技术及发展趋势[J].王海雄,李积彬.液晶与显示.2012(04)

[3]超薄LED背光模组设计[J].邹文聪,石德福.科技资讯.2015(18)

[4]直下式LED背光模组的超薄设计[J].李德君,刘刚,吕国强,方旭东,冯奇斌.液晶与显示.2014(06)