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白光发光二极管(WLED)的背光设计方法

    白光发光二极管(White Light-Emitting Diode;WLED,也经常写成:White LED)的出现,使LED摆脱过去只能用在指示灯、霓虹灯饰等场合使用,开始往电子照明领域迈进,包括汽车的方向辅助灯、初级数码相机的闪光灯等都已能用WLED代替,更有业者将WLED的裸晶面积加大制造,从2mm×2mm扩增至5mm×5mm,增强其发光,使WLED也能用在汽车的主照灯上。除此之外,WLED还有一项热门的应用,即LCD的背光源,以取代以往的冷阴极灯管(CCFL)。不过,现阶段将WLED用于背光有利也有弊,如何取利舍弊,将是设计者所关切的。

 手机、数码相机(1.2英吋~2.5英吋)
     一般而言,手机、数码相机(预览窗)等装置所配属的LCD显示器皆属小尺寸,如2.2英吋、2.5英吋等,而有的翻盖式手机还配有副显示屏,副显示屏较主屏小,约多在1.2英吋左右,以上这些小尺寸的LCD若用WLED作为其背光源,只要简单地将3~6颗WLED(使用颗数端视画面大小而定)加以串并联即可实现。
     WLED除了做手机、数码相机的LCD背光外也能有其它的用处,例如今日的手机在按键时也会发光,以方便使用者在暗处拨号,或者来电时天线部位会发光提示,这些也都可用WLED。另外初级数码相机或带有照相功能的手机,也开始用WLED充当闪光灯(约1~4颗),如此在单一装置内使用更多颗的WLED,组件用量增加且一致化,在设计及制造的供应调度上都有益处。
     虽然小尺寸LCD的背光只要简单串并、排列3~6颗WLED即可,但进一步有两个问题:
     1、若同一装置内有WLED型闪光灯,闪光灯需要比背光更高的驱动电流,甚至需要有预闪功能(防红眼)。
     2、背光的亮度并非一成不变,有时会有节能模式的人性化设计,在省电模态下自动将背光亮度降低,或者允许使用者自行调整亮度。
     所以WLED背光的驱动电路还必须有调节驱动电流的能力,且照相手机越来越多,数码相机使用WLED型闪光灯的机会也越来越高,因此对设计者而言必须设计2组WLED驱动电路,1组供WLED背光使用,1组供WLED闪光使用,同时2组都要有调整亮度的能力。
     由于这类型的设计需求越来越多,因此许多模拟IC、电源管理IC的业者纷纷提出解决方案,即WLED驱动IC,驱动IC可同时掌控WLED背光与WLED闪光,包括On/Off的亮灭控制、多段式亮度控制等,其中亮度控制只要改变流经WLED的电流量即可,流量大则亮度高,流量小则亮度低,改变方式可采用电压调整法或脉宽调变(PWM)法。
     所谓电压调整法,在于改变WLED的驱动电压,电压高则流经WLED的电流量也会增加,进而增亮,反之亦然。但电压调整法对电流量的操控不够细腻,些微的电压改变就会使电流量大幅变动,除非使用极细腻的电压调整电路,但因此也会使成本与电路体积增大。
     相对的PWM法是改变WLED明灭的工作周期,以WLED的导通(点亮驱动)周期百分比、频率来控制亮度,不仅可以细腻调整,而且成本、复杂度都较低,目前WLED驱动IC普遍采行此法来调整亮度。
     现有模拟IC、电源管理IC业者几乎都有提供,如Linear、MAXIM、Micrel、NEC、NS、以及TI等。台湾业者也有ARQUES(雅捷科技)、AIC(沛亨半导体)、AME(安茂微电子)、以及Richtek(立锜科技)等。
 用WLED取代CCFL有何优点?有何缺点?
     先说优点,WLED只要正向电压即可驱动,且可以直接用锂电池的3.6V来驱动,相对的CCFL需要交流电压才能驱动,且要较高的驱动电压(多在正负10V以上),所以电源不仅要反相还要升压,供电设计的复杂度高过WLEDWLED还有其它优点,例如没有使用有害物质,容易通过欧盟订立的RoHS法规,相对的CCFL是运用汞气体(汞蒸气)发光,铅、汞等有害物将逐步受各国市场限制。另外WLED具抗冲撞性,而CCFL一旦受冲撞破裂,就无法再行发光。
     至于缺点,目前WLED的用电效率仍不如CCFL,因此手持装置在相同的电池电容量下,WLED将较CCFL耗电,使装置待机时间缩短。

 PDA、PMP(3.5英吋~7英吋)
     比手机、数码相机更大显示尺寸的手持装置有个人数字助理(PDA)、便携式媒体播放器(PMP)等,当然也包括电子字典、股票机、掌上游戏器,这些约在3.5英吋、3.7英吋左右,最高也有到7英吋的规格。
     由于光均匀度的问题,再大尺寸就不适合用WLED的直接配置来形成背光,这时需改用背光模块(Back Light Module)。模块已将WLED光源运用折射、导光板及其它相关工艺技术来处理光均度问题,而PDA、PMP的产品设计者则多采直接向模块业者购买WLED背光模块。不过,依然有些设计业者倾向不用现成的WLED背光模块,而使用更多颗的WLED(如6~9颗)来形成背光,并以实体配置排列及稳压稳流等控制来维持光均匀。另外从原理看,WLED属点光源,而CCFL属线光源,在光均匀度克服上WLED难于CCFL,台湾WLED背光模块业者,有瑞仪光电(技术来自茶谷,大同子公司)、福华电子(技术来自茶谷)、华新丽华(技术来自Denyo)、华荣电缆(技术来自富士通化成)、兴隆发电子(技术来自桐生)、中强光电、辅祥实业、科桥电子、定莹光电、优技计算机、云光科技、精工美术、奈普光电(铼德投资)、和立联合、康竣光电、元津科技等业者投入LCD背光。日本有Stanley电气、Denyo、茶谷产业、富士通化成、多摩电气等。

 LCD Monitor、LCD TV(8.4英吋以上)
     到了LCD Monitor(含Desktop PC与Laptop PC)与LCD TV这个层级,至少也有8.4英吋、12.1英吋,甚至多数都在15英吋、17英吋以上,到此层次WLED也有与PDA/PMP层次相同的光均匀度问题,而且比中小尺寸时更为严重,同时又衍生出散热问题及价格问题。
     关于散热问题。就大尺寸LCD的背光来说,由于要在低扁的空间中密布大量的WLEDWLED的热量将不易消散,这是CCFL之类的冷光源所没有的问题。而且必须光均匀度与散热两项都要顾及。此外,目前已有业者(如Sony)克服了WLED背光的散热问题,进而将散热技术申请专利,使其它业者难以仿效跟进,也让WLED背光应用于大尺寸产品的进度受阻。
     其次是价格。目前WLED的单价成本仍因荧光粉专利技术而偏高。根据估计,在相同的大尺寸背光需求下,使用WLED的成本将是CCFL的5倍,因此现阶段Sony、Samsung等业者虽然有推出实际量产的WLED背光型LCD TV,但都应用在高价位的高端产品,所以价格也是WLED背光难普及于大尺寸应用的一大原因。虽然在中小尺寸的应用也有相同的价差问题,但都不如大尺寸明显。
     同样的,WLED的用电效率不如CCFL,在小面积时也不是大问题,但背光面积加大后便让问题突显,如Laptop PC的电量有限,用电问题也就必须克制。
     比较庆幸的是,WLED的亮度技术、发光效率等仍持续有幅度性成长、突破,如此相同面积内所用的WLED数目将逐渐减少,使散热问题不致更加严重。

 结论
     虽然有许多挑战,但业者仍会加紧积极克服。RoHS法规是一大压力,除欧洲外其它国家也有类似的规范提案,或者是已经定案,如日本的“The Promotion of procurement of Eco-friendly Goods and Services”或大陆的“电子信息产品生产污染防治管理办法”,只是宽严性与实施脚步的差异。这些都迫使电子设计须尽速舍取的原因。
     不过,WLED也并非是唯一的可行方案,业者也积极发展无汞型CCFL,或者是以OLED技术实现平面光源(面型发光,光均匀度胜过点型WLED与线型CCFL),无汞型CCFL若在价格、设计上与以往传统的CCFL高度兼容,或者OLED背光提前成熟等,都将挤压现有使用WLED背光的空间。
     CCFL虽然需要较高的驱动电压与交流电压才能运作,但也较无WLED背光在大尺寸运用时的光均问题与散热问题,且价格较低。 

[来源:逸晨广告公司] [作者:信息中心] [日期:09-10-23] [热度:]  
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