電流調光模式對LED液晶模組光學性能的影響

姚健平, 楊梅慧

(康佳集團股份有限公司，廣東 深圳 518053)

電流調光模式對LED液晶模組光學性能的影響

姚健平, 楊梅慧

(康佳集團股份有限公司，廣東 深圳 518053)

對LED液晶模組，采用模擬調光ADIM和數字調光PWMDIM兩種電流控制模式，對比測試了模組的亮度、CIE色坐標、LED焊腳溫度數據。實驗數據表明，相同整機系統下，平均電流相同時模擬調光比數字調光亮度高、LED芯片溫度低。隨著平均電流的減小，數字調光的亮度下降幅度比模擬調光明顯。數字調光模式CIEy坐標變化比模擬調光小，但x坐標差異不大。通過對以上兩種模式下光譜圖中RGB各波段的光強變化比以及主波長情況進行分析，認為半導體材料溫度變化引起的能帶差異以及電光轉換效率不同是主要原因。

模擬調光；數字調光；LED；電流；亮度；色坐標

隨著技術的發展，以及對節能環保的需求，LED液晶電視已經成為市場的主流。電視背光使用的LED為藍光芯片加熒光粉的冷白光LED，由于藍光芯片電流電壓關系符合典型的二極管伏安特性曲線，為了保證背光光電性能的穩定性，目前LED背光電路驅動模式為恒流驅動。恒流驅動有兩種模式，分別為模擬調光ADIM和數字調光PWMDIM兩種電流控制模式。兩種調光模式各具優勢。本文通過對這兩種電流控制模式下的LED液晶模組進行亮度、色坐標、溫度測試，分析兩種電流控制模式下的液晶模組的光學差異。

1 實驗

以組裝有一套白光LED(YAG+InGaN藍光芯片)的 32 in(1 in=2.54 cm)直下式入光的液晶電視模組作為實驗對象，在兩種電流控制模式下，通過調節選單中的背光調節比例，逐步調節LED的平均電流。其中模擬調光為電流峰值調節，而數字調光為峰值不變(440 mA)，通過調節占空比來調節LED的平均電流。圖1為相同平均電流400 mA條件下，數字調光和模擬調光的電流波形。

圖1 400 mA平均電流兩種模式下電流波形

在室溫25 ℃條件下，將機器通電在白場畫面點亮30 min后開始測試。用KONICA MINDLTA CS2000(配套數據處理系統為CS-10W)測試液晶模組白場的亮度、色坐標數據，使用Agilent Dso 6054A監測電流波形和數值，使用YOKOGAWA MX100監控測試機器內LED焊腳的溫度。電流值每隔20 mA測試記錄一組數據，每個電流值穩定10 min后進行亮度、色坐標、溫度的讀值。

2 結果和討論

2.1 亮度對比

液晶電視模組點亮30 min后，整機系統內以及機器與環境基本已達到熱平衡。通過用戶選單調節背光的電流，得出兩種電流控制模式下不同平均電流下的亮度數據。如圖2所示，隨著電流的降低，亮度呈線性降低，并且相同平均電流下，數字調光模式下比模擬調光模式下亮度要低，并且隨著電流的降低，數字調光模式下的亮度降低幅度比模擬調光模式下亮度降低幅度要大得多。如420 mA平均電流下，數字調光模式下比模擬調光模式下亮度低6.4%，而到160 mA平均電流時，這個值達到49%。

圖2 兩種電流模式下亮度與電流變化曲線

圖3為400 mA與260 mA平均電流兩種電流控制模式下的光譜圖。由于液晶玻璃的彩色濾光膜CF的RGB三色穿透波譜半高寬大于LED波譜，系統內膜片組件對光譜的吸收亦有限，故它們對測試點的光譜影響在此可以不作考慮。

圖3 400 mA與260 mA平均電流兩種電流控制模式下光譜

光功率Xe計算公式如下

(1)

式中：Xe為380～780 nm可見光范圍內的總輻射功率；p(λ)為單位波長的輻射功率。

由圖3及式(1)得出，平均電流均為400 mA條件下，數字調光模式下測試點波譜強度值比模擬調光模式降低，光功率計算值比模擬調光模式低5.8%。平均電流均為260 mA條件下，數字調光模式與模擬調光模式測試點波譜強度差異值進一步放大，B波段半高寬縮小，光功率計算值比模擬調光模式低17.7%。

通過對機器內LED焊腳的溫度測試發現，數字調光比模擬調光模式下焊腳溫度要高。表1為400 mA平均電流條件下(電流波形如圖1所示，其中，數字調光占空比為89%)，數字調光和模擬調光兩種模式下的LED焊腳溫度Ts情況。

表1 系統內LED焊腳溫度

Tj=Ts+P×Rth

(2)

式中：Tj為芯片溫度；P為LED功率;Ts為LED焊腳溫度;Rth為熱阻，400 mA與260 mA時功率接近1 W，熱阻可看作常數[1]，本樣品值為15 K/W。

由表1及式(2)，模擬調光下，400 mA時計算芯片結溫為351 K，數字調光模式下400 mA結溫為353.8 K，數字調光模式下焊腳溫度平均要高2.8 K(室溫25 ℃)。260 mA平均電流條件下，模擬調光模式下計算芯片平均結溫為329.5 K。理論上260 mA條件下數字調光模式ON狀態下瞬時溫升與400 mA時差不多，此點溫度要比模擬調光模式下260 mA 產生的熱量高很多。但260 mA時數字調光模式下OFF狀態時有足夠的時間將熱在時間上平均(占空比為53%)。由于PWM的響應時間為納秒級別，而溫升測試系統的響應時間為秒級別，所以現有條件無法檢測低占空比下的瞬時溫度，但利用下節能帶溫升公式反推可得出260 mA時數字調光模式下比模擬調光模式LED芯片溫度高約6.5 K。

InGaN藍光芯片屬于Ⅲ-Ⅴ族半導體材料，隨著溫度的升高，材料的能帶發生變化，電子能量升高占據導帶中能量高些的電子態[2]，電子空穴對發生輻射復合的幾率變小。另有報道，根據物體的發射率關系VanRoosbr?ck-Shockle[2-3]關系，光子輻射躍遷幾率是溫度的減函數。也就是溫度的升高降低了輻射復合率， 引起發光效率的降低。如上數據分析，相同平均電流不同電流控制模式下亮度的差異，主要由兩種電流模式下LED溫升差異引起。下一步將通過能帶和波長與溫度關系的變化做進一步分析。

2.2 色度對比

液晶電視模組點亮30 min后，通過用戶選單調節背光的電流，得出兩種電流控制模式下不同平均電流下的xy色坐標數據。如圖4所示，隨著電流的降低，CIExy坐標升高，對應色溫降低。并且，x坐標值模擬調光模式下趨勢比較平緩，變化值為0.001 9，數字調光下變化值為0.002 4，差異值不大。而y坐標值則在數字調光模式下趨勢比較平緩，變化值為0.003，模擬調光下為0.003 7，差異值比較大。

圖4 不同平均電流下CIE xy坐標曲線

結合表1，隨著電流的降低，溫度的降低，色坐標的x值和y值都增加。這與譚艷娥[4]等人對冷白樣品的實驗數據基本一致。王勁[5]等人認為波長與峰值半波寬變化引起了色坐標的變化。CIExy坐標變化主要由波長-光強比決定，以下從波長變化、RGB光強比例變化方面進行分析。

2.2.1 光強變化

由XYZ三刺激值式(3)可知，X值中R波段影響最大，Y值中G波段與R波段影響最大。坐標xy值是XYZ對應比例值。

(3)

由圖5及圖3可看出，R波段隨著電流降低，相對其他兩波段來說光強變化范圍較小，峰值半高寬變化也不明顯，所以x值僅在0.002范圍內變化，但是數字調光模式下光強變化比模擬調光稍微明顯，對應x坐標的變化也比模擬調光下明顯。G波段峰值半高寬變化不明顯，光強變化比例在三波段中居中，比R明顯，數字調光模式下降低也比較明顯。但對于Y值，R波段的貢獻是負值，且對數值的占比比較大，直接影響到了Y值結果。GR波段都屬于藍光激發的光致發光(PL)，直接受藍光光強大小的影響，并且PL發光功率有限，溫度也是由芯片的熱量決定，所以相比于B波段由芯片電致發光引起的光強變化，自然要輕微得多。

圖5 RGB各波段的光強電流變化

B波段隨著電流的降低，整體上強度降低幅度比RG波段明顯，并且，數字調光模式下光強變化比模擬調光模式下劇烈。數字調光模式下，260 mA平均電流時“ON”狀態下的導通電流依然為440 mA，單從電流方面考慮，xy值應該比較穩定[6]，實際測試數據則呈現出差異。隨著電流降低，波長光強度線性降低是正常現象，但兩種模式下線性降低的幅度差異，可以從材料的主波長與溫度、電流之間的關系方面解釋。

2.2.2 波長變化

從實驗數據來看，平均電流從420 mA降到260 mA，模擬調光模式下藍光B波段的主波長從 445 nm降到444.5 nm，數字調光模式下B波段的主波長從445 nm降到444 nm，出現了藍移現象。但兩種模式下G波段主波長穩定在534 nm，R波段穩定在602 nm。

主波長由材料的能帶決定。據報道，藍光芯片In組分為x的InGaN 禁帶寬度與溫度的關系為[7-8]

(4)

(5)

(6)

(7)

模擬調光下，400 mA時計算芯片結溫為351 K，260 mA時計算芯片結溫為329.5 K。只考慮熱效應時，峰值波長與結溫呈現較好的線性、正比關系[9-10]。假設取x為0.725，聯立以上公式，得出模擬調光下電流從400 mA降低到 260 mA 藍光波長藍移1.5 nm。莊榕榕等人[9]線性擬合的峰值波長偏移的溫度系數為0.077 0 nm/K，400 mA與260 mA LED芯片溫度相差21 K，按此計算電流降低藍光主波長藍移1.6 nm。與上面的計算結果基本吻合。從以上公式可以反推出260 mA時數字調光模式下比模擬調光模式，LED芯片溫度高約6.5 K。

對于藍光芯片InGaN基而言，影響Ⅲ族氮化物多量子阱器件發射光譜的能隙間隔，除了熱效應帶來的變化外，還應考慮自發極化和壓電極化效應帶來的影響。在大電流密度下，會屏蔽極化場，而顯示出載流子屏蔽效應，所以隨著電流密度的減小，波長會出現紅移。但從實驗數據來看，平均電流從420 mA降到260 mA，模擬調光模式下藍光B波段的主波長從 445 nm降到444.5 nm，數字調光模式下B波段的主波長從445 nm降到444 nm，結果上還是出現了藍移現象。可見除了電流密度的影響之外，芯片溫度的影響更大些，并且因為數字調光模式下溫度更高，所以溫度的影響更明顯。綠波G和紅波R屬于藍光激起的光致發光(PL)，因為PL能激發的載流子較少，對主波長的影響不大，兩種模式下G波段穩定在534 nm，R波段穩定在602 nm。

3 結論

1)相同平均電流下，液晶電視模組數字調光模式下比模擬調光模式下亮度要低，并且隨著電流的降低，數字調光模式下的亮度降低幅度比模擬調光模式下亮度降低幅度要大得多。

2)相同平均電流下，數字調光模式下液晶電視模組系統中LED芯片的溫度比模擬調光模式下高。

3)隨著電流的降低，CIExy坐標中x坐標值模擬調光模式下變化趨勢比較平緩，變化值為0.001 9，數字調光下變化值為0.002 4，差異值不大。而y坐標值則在數字調光模式下趨勢比較平緩，變化值為0.003，模擬調光下為0.003 7。

4)以上現象的主要原因為半導體材料能帶與溫度的負指數關系形成。數字調光模式下LED芯片的溫度高引起材料的能帶、主波長和發光效率變化。隨著電流的降低，數字調光模式下占空比減小，導致溫差進一步放大，引起兩種模式下的亮度、色度差異放大。

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責任編輯：閆雯雯

Effect of Different Current Dimming Mode on Optical Performance of LED LCD Module

YAO Jianping, YANG Meihui

(KONKAGROUPCo.,Ltd.,GuangdongShenzhen518053,China)

The brightness, CIE color coordinates, and the LED pin soldering temperature data are tested in analog dimming (ADIM) and digital dimming (PWMDIM) current control modes on LED LCD module. The experimental data show that, under the same average current system, analog dimming get higher brightness and lower temperature of LED chip. With the decrease of the average current, brightness for digital dimming decline significantly. Under the same average current system, the change of CIEycoordinate in digital dimming mode is smaller, but thexcoordinate has no significant change. Changes in light intensity of each band in the RGB spectrum and the main wavelength are analyzed in two current modes. All those are considered caused by the changes in temperature of semiconductor materials which has resulted in different band gap and different electro-optical conversion efficiency.

analog dimming; digital dimming; LED; brightness; CIE coordinate

【本文獻信息】姚健平, 楊梅慧.電流調光模式對LED液晶模組光學性能的影響[J].電視技術,2015，39(13).

電子信息產業發展基金項目(財建[2010]305號、工信部財[2010]301號)

TN942.1

A

10.16280/j.videoe.2015.13.023

2015-04-09