初析電流調(diào)光模式對(duì)LED液晶模組光學(xué)性能的影響

黃愛(ài)東　劉杰宏

【摘 要】對(duì)LED液晶模組，采用模擬調(diào)光和數(shù)字調(diào)光兩種電流控制模式，對(duì)比測(cè)試了模組的亮度、色坐標(biāo)、LED焊腳溫度數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，相同整機(jī)系統(tǒng)下，平均電流相同時(shí)模擬調(diào)光比數(shù)字調(diào)光亮度高、LED芯片溫度低。隨著平均電流的減小，數(shù)字調(diào)光的亮度下降幅度比模擬調(diào)光明顯。數(shù)字調(diào)光模式色坐標(biāo)的y坐標(biāo)變化比模擬調(diào)光小，但x坐標(biāo)差異不大。通過(guò)對(duì)以上兩種模式下光譜圖中三色光各波段的光強(qiáng)變化比以及主波長(zhǎng)情況進(jìn)行分析，認(rèn)為半導(dǎo)體材料溫度變化引起的能帶差異以及電光轉(zhuǎn)換效率不同是主要原因。

【關(guān)鍵詞】模擬調(diào)光；數(shù)字調(diào)光；LED；電流；亮度；色坐標(biāo)

0 引言

當(dāng)前LED液晶電視已經(jīng)充徹市場(chǎng)，2K、4K智能電視已經(jīng)成為市場(chǎng)主流，甚至ELED自帶發(fā)光的液晶電視將成為趨勢(shì)。而對(duì)于仍使用的LED為藍(lán)光芯片加熒光粉的冷白光LED背光模式的液晶電視，由于藍(lán)光芯片電流電壓關(guān)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(wěn)定性，目前LED背光電路驅(qū)動(dòng)模式為恒流驅(qū)動(dòng)。恒流驅(qū)動(dòng)有兩種模式，分別為模擬調(diào)光和數(shù)字調(diào)光兩種電流控制模式。兩種調(diào)光模式各具優(yōu)勢(shì)。本文將通過(guò)對(duì)這兩種電流控制模式下的LED液晶模組進(jìn)行亮度、色坐標(biāo)、溫度進(jìn)行測(cè)試，分析兩種電流控制模式下的液晶模組的光學(xué)差異。

1 實(shí)驗(yàn)

以組裝有一套白光LED的32英寸直下式入光的液晶電視模組作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，在兩種電流控制模式下，通過(guò)調(diào)節(jié)菜單中的背光調(diào)節(jié)比例，逐步調(diào)節(jié)LED的平均電流。其中模擬調(diào)光為電流峰值調(diào)節(jié)，而數(shù)字調(diào)光為峰值不變（440mA），通過(guò)調(diào)節(jié)占空比來(lái)調(diào)節(jié)LED的平均電流。

在室溫25℃條件下，將機(jī)器通電在白場(chǎng)畫面點(diǎn)亮30min后開(kāi)始測(cè)試。通過(guò)儀器測(cè)試液晶模組白場(chǎng)的亮度、色坐標(biāo)數(shù)據(jù)、電流波形和數(shù)值以及試機(jī)器內(nèi)LED焊腳的溫度。電流值每隔20mA測(cè)試記錄一組數(shù)據(jù)，每個(gè)電流值穩(wěn)定10分鐘后進(jìn)行亮度、色坐標(biāo)、溫度的讀值。

2 結(jié)果和討論

2.1 亮度對(duì)比

液晶電視模組點(diǎn)亮30min后，整機(jī)內(nèi)部溫度與環(huán)境溫度基本一致時(shí)。通過(guò)用戶菜單調(diào)節(jié)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(shù)據(jù)。如圖1所示，隨著電流的降低，亮度也逐漸降低，并且相同平均電流下，數(shù)字調(diào)光模式下比模擬調(diào)光模式下亮度要低，并且隨著電流的降低，數(shù)字調(diào)光模式下的亮度降低幅度比模擬調(diào)光模式下下降得快。如420mA平均電流下，數(shù)字調(diào)光模式下比模擬調(diào)光模式下亮度低6.4%，而到160mA平均電流時(shí)，這個(gè)值達(dá)到49%。

圖2為400mA與260mA平均電流兩種電流控制模式下光譜圖。由于液晶玻璃的濾光片的三色光穿透波譜大于LED波譜，且模組內(nèi)的膜片組件對(duì)光譜的吸收亦有限，故他們對(duì)測(cè)試點(diǎn)的光譜影響在此可以不作考慮。

由圖2得出，在平均電流均為400mA條件下，數(shù)字調(diào)光模式下測(cè)試點(diǎn)波譜強(qiáng)度值比模擬調(diào)光模式要低，光功率計(jì)算值比模擬調(diào)光模式低5.8%。在平均電流均為260mA條件下，數(shù)字調(diào)光模式下與模擬調(diào)光模式下測(cè)試點(diǎn)波譜強(qiáng)度差異值進(jìn)一步擴(kuò)大，綠光波段半峰寬度減小，光功率計(jì)算值比模擬調(diào)光模式低17.7%。

通過(guò)對(duì)機(jī)器內(nèi)LED焊腳的溫度測(cè)試發(fā)現(xiàn)，數(shù)字調(diào)光比模擬調(diào)光模式下焊腳溫度要高。下表1為400mA平均電流條件下（電流波形如圖1，其中，數(shù)字調(diào)光占空比為89%。），數(shù)字調(diào)光和模擬調(diào)光兩種模式下的LED焊腳溫度Ts情況。

公式為：Tj=Ts+P×Rth

其中，Tj為芯片溫度，P為led功率，Ts 為led焊腳溫度，Rth為熱阻，400mA與260mA時(shí)功率接近1W，熱阻可看作常數(shù)[1]，本樣品值為15K/W。

藍(lán)光芯片屬于Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體材料，隨著溫度的升高，材料的能帶發(fā)生變化，電子能量升高占據(jù)導(dǎo)帶中能量高些的電子態(tài)[2]。如上數(shù)據(jù)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(guò)能帶和波長(zhǎng)與溫度關(guān)系的變化進(jìn)一步分析。

2.2 色度對(duì)比

液晶電視模組點(diǎn)亮30min后，通過(guò)用戶菜單調(diào)節(jié)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(biāo)數(shù)據(jù)。隨著電流的降低，色度坐標(biāo)升高，對(duì)應(yīng)色溫降低。并且，x坐標(biāo)值模擬調(diào)光模式下趨勢(shì)比較平緩，變化值為0.0019，數(shù)字調(diào)光下變化值為0.0024，差異值不大。而y坐標(biāo)值則在數(shù)字調(diào)光模式下趨勢(shì)比較平緩，變化值為0.003，模擬調(diào)光下為0.0037，差異值比較大。

結(jié)合表1，隨著電流的降低，溫度的降低，色坐標(biāo)的x 值和y 值都增加。這與譚艷娥[3]等人對(duì)冷白樣品的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致。王勁[2]等人認(rèn)為波長(zhǎng)與峰值半波寬變化引起了色坐標(biāo)的變化。色度坐標(biāo)變化主要由波長(zhǎng)-光強(qiáng)比決定。

對(duì)于藍(lán)光芯片基而言，影響Ⅲ族氮化物多量子器件發(fā)射光譜的能隙間隔，除了熱效應(yīng)帶來(lái)的變化外，還應(yīng)考慮自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)帶來(lái)的影響。所以隨著電流密度的減小，波長(zhǎng)會(huì)出現(xiàn)紅移。但從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，平均電流從420mA降到260mA，模擬調(diào)光模式下藍(lán)光波段的主波長(zhǎng)從445nm降到444.5nm，數(shù)字調(diào)光模式下藍(lán)光波段的主波長(zhǎng)從445nm降到444nm，結(jié)果上還是出現(xiàn)了藍(lán)移現(xiàn)象。可見(jiàn)除了電流密度的影響之外，芯片溫度的影響更大些，并且因?yàn)閿?shù)字調(diào)光模式下溫度更高，所以溫度的影響更明顯。兩種模式下綠光波段穩(wěn)定在534nm，紅光波段穩(wěn)定在602nm。

3 結(jié)論

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

2）相同平均電流下，數(shù)字調(diào)光模式下液晶電視模組系統(tǒng)中LED芯片的溫度比模擬調(diào)光下高。

3）隨著電流的降低，色度坐標(biāo)中x坐標(biāo)值模擬調(diào)光模式下變化趨勢(shì)比較平緩，變化值為0.0019，數(shù)字調(diào)光下變化值為0.0024，差異值不大。而y坐標(biāo)值則在數(shù)字調(diào)光模式下趨勢(shì)比較平緩，變化值為0.003，模擬調(diào)光下為0.0037。

4）以上現(xiàn)象的主要原因?yàn)榘雽?dǎo)體材料能帶與溫度的負(fù)指數(shù)關(guān)系形成。數(shù)字調(diào)光模式下LED芯片的溫度高引起材料的能帶、主波長(zhǎng)和發(fā)光效率變化。隨著電流的降低，數(shù)字調(diào)光模式下占空比減小，導(dǎo)致溫差進(jìn)一步放大，引起兩種模式下的亮度、色度差異放大。

【參考文獻(xiàn)】

[1]毛德豐，郭偉玲，等.功率LED熱特性分析[J].照明工程學(xué)報(bào)， 2009，20（2）：30-34.

[2]王健，黃先.溫度和電流對(duì)白光LED發(fā)光效率的影響[J].發(fā)光學(xué)報(bào)，2008，29（2）：358-361.

[3]譚艷娥，余彬海，等.溫度對(duì)白光大功率LED分檔集中度的影響[J].半導(dǎo)體器件，2013，23（8）：603-608.

[4]王勁，梁秉文.大功率發(fā)光二極管光電特性及溫度影響研究[J].光學(xué)儀器，2007，29（2）：46-49.endprint