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LED背光源亮度均匀性的研究

  • 发布日期:2016-05-24 浏览次数493
  1、引言
 
  led正成为背光照明的主流器件。一般背光源设计中有多个led,所以要考虑各个LED亮度的一致性。在实际应用中,可根据向电压(Vf)对LED器件进行“差异筛选”。LED的Vf值是背光设计的重要变数。将多个LED连接在一起使用时,各管电流均必须匹配,整个组件才能产生一致的亮度。
 
  LED的亮度决定于流过它的电流。实现恒定电流最简单的方法,是将多个LED串联起来。这样不用差异筛选,串联LED就能确保流过各个LED的电流相同。但是串联时的总体正向电压为多个LED的Vf之和,需要使用带电感的具有升压功能的led驱动电路,使得成本增加。而且,一个LED发生故障就会使整个背光源失效。此外,串联驱动方法有较强的电磁干扰,对通讯产品尤其不利。
 
  将多个LED并联的设计方法,无需带电感的升压电路,电磁干扰较小,容错性较强。但为了保证亮度的均匀性,必须对LED进行差异筛选。随着所用LED数量的增加,成本也会因差异筛选而增加。即使经过差异筛选,LED的Vf值仍会存在一个变化范围,影响亮度的均匀性。
 
  2、LED背光源电路模型
 
  将三个LED并联构成背光源,其总电流由三极管电路控制,如图1所示。亮度均匀性的NLED被定义为:
 
  式中,Imax和Imin为各个LED电流的最大值和最小值;
LED背光源亮度均匀性的研究
图1LED背光源的驱动电路
 
  图中,D1,D2,D3为发光二极管,T1为NPN型三极管,R1,R2,R3的阻值可根据总电流I的设计要求进行调节,I/O或DAC为控制端口。
 
  理想发光二极管的正向电压为:
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  实际上,寄生电阻对Vf影响很大:
LED背光源亮度均匀性的研究
  式中:I为正向电流;n为理想因子;k为玻尔兹曼常数(1.38x10-23J/K);T为温度(298K或25℃);q为电子电量(1.602x10-19C);Is为饱和电流;R为寄生电阻;本文以西铁成公司的发光二极管为例,其特性参数如表1所示。
LED背光源亮度均匀性的研究
表1发光二极管特性参数
 
  依据式(2),使用对分法[2]计算出在不同正向电压下,三种LED的正向电流,如图2所示。
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图2不同LED的正向电压与电流的关系。
 
  由图2可以看出,在相同的电压下,不同LED的电流不同,即亮度不同。LED都有其额定电流,西铁城LED的额定电流为20mA,所以本文给出了20mA以内的数据。
 
  3、偏置电阻对LED背光源亮度均匀性的影响
 
  在实际设计中,利用外加偏置电阻,即在每个LED处串联一个电阻来改善LED背光源的亮度均匀性。本文讨论两个LED并联,加偏置电阻R4=R5的情况,如图3所示。
LED背光源亮度均匀性的研究
图3加偏置电阻的电路图
 
  计算机利用对分法算出了在总电流为15mA,外加偏置电阻(R)为R4=R5=0,22,47,68,100,150,200(Ω)时,D1和D2的电流(I1和I2)、亮度均匀性(Uni)、正向电压(V5)、以及偏置电阻带来的功耗(P)。
 
  计算结果如表2及图4、图5所示。
LED背光源亮度均匀性的研究
表2不同偏置电阻的计算结果
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图4偏置电阻对亮度均匀性的影响。
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图5偏置电阻对功耗及供电电压的影响。
 
  由表2和图4、5可以看出,外加偏置电阻可以显着提高亮度的均匀性,但电路的功耗会相应增加,对LED正向电压的要求会增大。例如,外加150Ω偏置电阻时,其耗散功率为17mW,V5为3.104V。
 
  对于锂电池而言,一般工作电压范围为3.0~4.2V,再考虑三极管的偏置电压,因此,外加150Ω偏置电阻是不能接受的。设计中要根据具体的供电电压来确定偏置电阻的值。
 
  4、LED的发光亮度对亮度均匀性的影响
 
  根据式(2),也可以通过改变LED的发光亮度来改善led背光源的亮度均匀性,即通过改变系统的总电流来改善亮度的均匀性。本文讨论两个LED并联,且外加68Ω偏置电阻的情况,结果如表3及图6所示。
LED背光源亮度均匀性的研究

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图6由外加偏置电阻改变系统总电流对亮度均匀性的影响
 
  由表3和图6可以看出,外加68Ω偏置电阻使亮度降低,可以适当提高亮度的均匀性。在实际设计中,可利用本文所述方法进行模拟计算。
 
  5、结论
 
  本文讨论了偏置电阻、和发光亮度对LED亮度均匀性的影响。随着偏置电阻值的增加、亮度的减小,led背光源的亮度均匀性会提高。实际设计中要兼顾偏置电阻的功耗、发光亮度和供电电压等的要求。
 
关键词: LED LED背光源 LED屏

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