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TFT-LCD背光設(shè)計(jì)策略

發(fā)布時(shí)間:2011-06-06

中心議題:
  • TFT-LCD背光設(shè)計(jì)對比
解決方案:
  • CCFL背光源
  • LED背光源
  • 碳納米管背光源

TFT-LCD的結(jié)構(gòu)

從TFT-LCD的切面結(jié)構(gòu)圖(圖1)可以看到LCD是由二層玻璃基板夾住液晶組成的,形成一個(gè)平行板電容器,通過嵌入在下玻璃基板上的TFT對這個(gè)電容器和內(nèi)置的存儲(chǔ)電容充電,維持每幅圖像所需要的電壓直到下一幅畫面更新。液晶的彩色都是透明的必須給LCD襯以白色的背光板上才能將五顏六色表達(dá)出來,而要使白色的背光板有反射就需要在四周加上白色燈光。因此在TFT-LCD的底部都組合了燈具,如CCFL或LED。

圖1TFT-LCD的切面結(jié)構(gòu)圖

TFT-LCD需要背光

由于LCD面板本身并不發(fā)光,因此需要背光,液晶顯示器就必須加上一個(gè)背光板,來提供一個(gè)高亮度,而且亮度分布均勻的光源。LCD實(shí)際上是打開來自其后面光源的光來表現(xiàn)其色彩的。目前的常用背光源是CCFL或LED。

CCFL背光源

現(xiàn)在幾乎所有的較大面積的LCD顯示器都使用CCFL(冷陰極熒光燈)背光,這些CCFL的驅(qū)動(dòng)需要非常高的交流電壓波形。一般筆記本和顯示器的面板只需要一個(gè)CCFL控制器,然而大面板、TV類型的顯示器要求更亮的背光,也即需要更多的CCFL,因而需要更多的驅(qū)動(dòng)器。來自這些CCFL的光還必須匹配,否則顯示屏的圖像亮度將不均勻。采用CCFL技術(shù)作為背光源會(huì)嚴(yán)重影響在LCD顯示器上顯示的色譜。典型的CCFL背光使LCD顯示器只能再現(xiàn)不到50%的NTSC信號(hào)所能傳輸?shù)纳省?br />
為了改善CCFL的不足,TI和MAXIM等IC廠商分別推出幾款高性能電源管理器件如TPS65160、MAX1997/8、MAX1513/4,它們不但具備高轉(zhuǎn)換效率,還能滿足薄膜晶體管(TFT-LCD)液晶屏幕的所有電壓需求,為液晶顯示器提供完備的供電方案。并提供安全的大電流控制能力,適用于現(xiàn)今大型液晶顯示器和液晶電視的電源管理器件(圖2)。它們內(nèi)置高效率的直流轉(zhuǎn)換控制器、兩個(gè)電荷泵、多種安全功能,以及可調(diào)式開機(jī)電源順序控制。電壓輸入的范圍較寬;內(nèi)置1.5-2.6A交換升壓轉(zhuǎn)換器,為系統(tǒng)提供源極電壓VCOM=15V/1.5A,一個(gè)大電流背板驅(qū)動(dòng)器;一個(gè)珈瑪基準(zhǔn)電壓Vgamma=15V/30mA;而1.8A異步降壓轉(zhuǎn)換器供應(yīng)邏輯電壓VLOGIC=3.3V/1.5A;還提供可調(diào)式穩(wěn)壓輸出的正電荷泵輸出VGON=23V/50mA和負(fù)電荷泵驅(qū)動(dòng)器輸出VGOFF=-5V/50mA,以保證屏幕顯示畫面質(zhì)量。

它們擁有快速瞬時(shí)響應(yīng)能力,其高達(dá)95%的電源轉(zhuǎn)換效率有助于節(jié)省電力。它們還包含多種安全功能,例如升壓轉(zhuǎn)換器的電壓過載保護(hù)、降壓轉(zhuǎn)換器的短路保護(hù),以及過熱關(guān)機(jī)功能,從而避免了溫度或功耗過高所造成的損害。除此之外,電壓過低鎖定(UVLO)功能會(huì)在電壓過低時(shí)將器件關(guān)機(jī),提供進(jìn)一步保護(hù)。采用薄型QFN封裝,最大高度僅0.8mm,適合超薄型LCD面板。


圖2TFT-LCD顯示器系統(tǒng)需要多檔電源電壓。
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LED背光源

如今用新的大功率、高亮度的LED技術(shù)作為背光源,可以將對NTSC信號(hào)色譜的覆蓋率提高到超過100%。另外,這些新LED背光沒有CCFL背光所需的水銀,非常適合綠色環(huán)保應(yīng)用。LED背光還具有很多其它優(yōu)點(diǎn)。對于大面積面板,可采用分離的紅色、綠色和藍(lán)色LED,這使顯示器的色溫可以很容易進(jìn)行調(diào)整。這些器件的快速響應(yīng)特性還使它們非常適合于頻閃背光(strobingbacklight)應(yīng)用。LED的驅(qū)動(dòng)需要一定的電壓和電流,手提產(chǎn)品的電源都是電池,因此就需要升降壓電壓變換的電源管理電路。

如今各種微型電壓升降壓芯片技術(shù)也日顯成熟,產(chǎn)品也在不斷增加,符合PMP/MP4、DSC、DV的TFT-LCD需要的,能同時(shí)多路輸出它們需要的不同電壓的集成電源管理芯片組(SOC)也在迅速推出之中。TFT-LCD顯示器系統(tǒng)需要多檔電源電壓,如PMP/MP4常用的三星3.5_和4_的TFT-LCD,它們的結(jié)構(gòu)如圖3所示,它們由TFT玻璃(TFTglass)、顏色濾波器(Colorfilter)、顯示區(qū)(Displayarea)、背光板和背光源(Backlight)四部分疊加組成。圖4是三星3.5_的TFT-LCD電路圖。它們的主要技術(shù)參數(shù)是:VIN=2.1-4.0V,VSW=15V/1.4A、VS=15V;用6個(gè)LED串聯(lián)做背光源,每個(gè)LED的VF=3.4V、IF=20mA,因此需要一個(gè)24V/50mA的電壓來驅(qū)動(dòng)。常常選用帶電感的DC/DC來升壓,再加上倍壓電路,輸出多檔電源電壓滿足TFT-LCD的需要,如圖5所示。目前MP3、PMP/MP4、DSC、DV等的小尺寸TFT-LCD屏的低成本背光驅(qū)動(dòng)方案常常是采用這種方法來設(shè)計(jì)實(shí)用電路的。


圖3三星4_的TFT-LCD結(jié)構(gòu)圖

圖4三星3.5_的TFT-LCD電路圖

圖5升壓、倍壓產(chǎn)生多檔電源電壓電路

新背光源

正在研發(fā)的新背光源還有好多種,如日本DiaLight開發(fā)成功了一款采用碳納米管的場發(fā)射型高亮度背光燈,適用于LCD-TV等大屏顯示器,。從原理上講,可實(shí)現(xiàn)15萬cd/m2的超高亮度。除可作為電視機(jī)和手機(jī)的背光燈使用外,還可用作特殊光源。此背光燈通過在使用碳納米管的平面電極(發(fā)射極)上施加高壓電場,使放射出的電子射向熒光板而發(fā)光。除了高發(fā)光效率、低能耗和高亮度發(fā)光外,還具有無汞、長壽命以及高速響應(yīng)等特點(diǎn)。

比如說,按32英寸的背光燈換算,發(fā)光效率為80lm/W、亮度為1萬5000cd/m2、耗電量為85W、壽命為5萬小時(shí)、響應(yīng)速度為100μs。相比,采用冷陰極管(CCFL)的情況是:效率為50lm/W、亮度為1萬2000cd/m2、耗電量為110W,壽命為5萬小時(shí)、響應(yīng)速度為10_15ms;采用白色LED的情況是:效率為30lm/W、亮度為9500cd/m2、耗電量為185W、壽命為5萬小時(shí)、響應(yīng)速度為數(shù)十ns。
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