LED背光替換CCFL背光的必要性

文/張傳森 邵呂霞

CCFL背光的液晶顯示器經過長期使用后，因早期工藝控制及高壓控制問題，故障率較高，主要失效模式是亮度衰減、黑屏和屏幕閃爍等。與LED背光模式相比，CCFL背光模式在背光壽命、可靠性和夜視兼容性應用等方面存在著較為明顯的差距。所以要提升早期液晶顯示器的光電性能和可靠性，降低故障率，需采用LED背光模式的液晶顯示器替換CCFL背光液晶顯示器。

1 CCFL背光的不足

1.1 亮度衰減較為嚴重

早期液晶顯示器采用CCFL背光源，經過長期使用后會出現逐漸衰減，使得早期生產的液晶顯示器亮度逐漸下降，甚至已影響信息判讀。經統計，使用超過10年以上的CCFL背光液晶顯示器，衰減程度達到40%以上。

用于機載環境液晶顯示器的CCFL背光燈管，存在以下幾項因素會導致老化加速、壽命銳減：

1.1.1 CCFL的亮度壽命隨著燈管工作電流的增加而迅速衰減

液晶顯示器以高亮度工作時，燈的電流也相應增大，而高亮度顯示正是機載液晶顯示器的特點之一。當驅動電流為5mA、平均壽命為20000小時的燈管以6mA電流工作時，僅有12000小時的平均壽命，而以10mA電流工作時僅為2000小時。因此持續的高亮度工作會導致液晶顯示器背光壽命下降。

1.1.2 周期性開關易引起燈管老化

為實現PWM調光，背光以250Hz脈沖調制，在500000個累積脈沖周期后即會產生顯著的老化現象，當CCFL背光單次連續工作30分鐘以上，即會產生額外的積累性損害，盡管這一過程是緩慢的，但使得燈管用于背光時的實際半衰期遠小于連續工作或較少工作應用條件下測得的數值。通過測試分析，CCFL初始亮度7200cd/m2，經7200小時后亮度衰減為5600cd/m2。

1.1.3 機載環境使用及存放會加速燈管老化

以上估算僅僅為一般溫度環境中工作的情況，事實上機載環境工作的溫度范圍非常寬，CCFL燈管自身的發熱也比較嚴重，燈管實際溫濕環境變動很大，造成壽命下降。以40℃環境溫度工作計，燈管附近溫度可達到70℃以上，除加速電極物質升華損失外，燈管內氣體蒸汽氣壓、分子離子平均碰撞動能顯著增加，轟擊電極、熒光粉造成老化加劇。同等工作電流情況下CCFL燈管溫度達80℃時，CCFL的半亮度壽命會縮短75%以上。也可以近似計算，當CCFL燈管溫度超過60℃，每增加10℃，半亮度壽命減少一半。

所以，相比于良好散熱的理想測試條件，機載環境下CCFL燈管工作環境更嚴酷，這將加速燈管的老化。

1.2 低溫工作特性較差

CCFL燈管依靠在交變電場激發燈管內的汞蒸汽發出紫外光，紫外光進一步激發熒光粉發出白色或其他各種顏色的可見光。在低溫下CCFL背光模塊工作有如下幾個特點：起輝電壓高、亮度低、壽命短。在低溫時，汞蒸汽飽和氣壓極低，因此激發出的紫外光就少，燈光亮度就低。在-40℃的溫度時，CCFL背光模塊的亮度不到正常亮度的10%。為了CCFL背光模塊能在低溫時正常工作，需要預熱、延時點亮啟動。當溫度低于0℃時，需要持續的給液晶顯示模塊加熱，以保持CCFL背光模塊處在最佳的工作溫度。

1.3 可靠性較差

CCFL背光模塊內部采用高壓驅動電路，高壓驅動電路易受溫度和啟動次數等因素影響，故障率高，整體可靠性較差。外場出現的黑屏、閃屏等故障現象多由高壓驅動電路失效引起。

此外，CCFL模塊內部為細長玻璃管結構，為保證其發光面發光利用的最大化，不產生光影，與外圍結構支撐接觸面要盡可能的少，導致模塊耐沖擊和振動性能較差，結構可靠性較差。

1.4 高壓驅動電路電磁兼容性差

CCFL背光模塊為高壓（500V～1500V）、高頻（20Khz～60KHz）驅動，并且電流波形一般不是整齊平滑的正弦波形。高壓、高頻電路在工作過程中易引起周圍電場和磁場的變化。因此，燈管及驅動電路的電磁輻射較大，電磁兼容性能較差。

1.5 光效低、功耗大

由于CCFL背光模塊為周邊發光，在特定方向上的可利用光能只能達到60%～75%。因此，CCFL背光模塊達到較高的亮度需要犧牲功耗為代價，較高的功耗又會加速背光器件的損耗，降低使用壽命。

1.6 色彩表現能力弱

CCFL背光方式色彩表現力較弱，僅能達到NTSC規定70%左右的色域，色彩還原能力較差。

1.7 后期維護保障困難

除了CCFL背光技術本身存在的不足之外，后續也存在著高壓驅動電路相關器件停產，采購和替換高壓器件工作難度較大，維護保障工作較為困難的情況。

2 LED背光主要性能優勢

自研制初期，LED就被應用在包括手表、計算器、遙控器、指示燈在內的各種常見產品和家用設備。LED技術發展迅速，隨著亮度和效率的不斷提高，新的應用更是層出不窮。目前，LED背光技術在液晶顯示器中應用越來越普遍，已成為液晶顯示器的主流背光技術。

相對與傳統的CCFL背光，LED背光顯示出越來越多的優點，具有亮度高、壽命衰減小、功耗低、驅動電路簡單可靠、色彩和畫面顯示效果好、電磁兼容性好及可靠性較高的特點。

2.1 高壽命

LED背光模塊的平均壽命大于50000h，遠高于CCFL背光的20000h。從目前使用情況來看，LED背光產品未發現有明顯衰減現象。且LED背光相比于CCFL背光，亮度可以更高，可以輕松達到1000cd/m2以上，而CCFL背光達到同樣的亮度需要犧牲較大的功耗。

由于LED背光的光/能利用效率比CCFL高，顯示器達到同樣亮度所耗能量比CCFL少，且LED背光系統熱量非常集中，便于散熱結構及散熱通道的設計。因此，機載工作環境下，LED背光更為有利。

2.2 良好的低溫工作特性

LED為半導體固態器件，隨著溫度的降低LED亮度會有所降低，-40℃時LED的亮度可達到正常亮度的80%以上，且可以無須延時直接點亮，該特性顯著優于CCFL的低溫特性。

2.3 良好的電磁兼容特性

LED背光不需要很高的交流電壓，因此也就不需要逆變器。最基本的LED驅動器由5V～48V的直流電供電，并采用DC-DC升壓電路為驅動LED串的恒流驅動器提供電壓。LED的低電壓或低頻PWM驅動較CCFL的高壓驅動方式電磁輻射低得多，約低10～20db。同時LED電路系統的低氣壓、防潮濕絕緣設計要求更低。

2.4 高可靠性

LED器件的失效率一般低于1×10-6/h，正常工作壽命為10萬小時（半亮度周期）。LED驅動電路的可靠性要比CCFL逆變器的可靠性高得多。目前基于CCFL背光的機載顯示器故障率最高的就是逆變器。

此外，簡單的安裝緊固方式使得LED背光的抗振動、沖擊性能要比CCFL好，結構可靠性更強。

2.5 光效高、功耗低

目前白色LED的發光效率已經達到110～130 lm/w，發光效率遠遠超過CCFL。在國際市場上可選用的高亮度白色LED光的利用效率比CCFL高出80～100%。因此，實現同等亮度情況下，LED背光所消耗的功耗更少，對結構散熱條件要求更低。

2.6 色彩和畫面顯示效果更好

LED背光技術有更好的色域，其色彩表現能力強于CCFL背光技術，可以達到NTSC規定色域的105%以上，能產生飽和的色彩，色彩還原性好，顯示畫面更加艷麗和通透。

3 夜視兼容性應用

隨著能力提升的需要，后續液晶顯示器會存在增加夜視兼容性的可能性。若對早期的CCFL背光顯示器重新開展夜視兼容性設計，面臨著較大的技術難度和較高的改裝成本，對售后維護也會提出新的要求。因此，針對需要增加夜視兼容能力的液晶顯示器，可采用LED背光液晶顯示模塊進行替換，在進行夜視兼容能力提升的同時，還可以有效改善顯示器亮度、可視性、可靠性等問題，減少技術風險和難度，有效控制改裝成本，降低維護難度，提高產品的可維護性。

4 結論與建議

通過分析，CCFL背光技術與LED背光技術相比，在使用壽命、顯示亮度、顯示效果、驅動電路工作穩定性、安全性、可靠性及售后維護等方面均存在著一定的差距，且針對CCFL背光液晶顯示器增加夜視兼容功能的改進技術難度較大，成本較高。

因此，如需進一步提升液晶顯示器的光電性能和可靠性，滿足夜視兼容性的要求，建議采用LED背光的液晶顯示器替換CCFL背光的液晶顯示器。