电流调光模式对LED液晶模组光学性能的影响

姚健平, 杨梅慧

(康佳集团股份有限公司，广东 深圳 518053)

电流调光模式对LED液晶模组光学性能的影响

姚健平, 杨梅慧

(康佳集团股份有限公司，广东 深圳 518053)

对LED液晶模组，采用模拟调光ADIM和数字调光PWMDIM两种电流控制模式，对比测试了模组的亮度、CIE色坐标、LED焊脚温度数据。实验数据表明，相同整机系统下，平均电流相同时模拟调光比数字调光亮度高、LED芯片温度低。随着平均电流的减小，数字调光的亮度下降幅度比模拟调光明显。数字调光模式CIEy坐标变化比模拟调光小，但x坐标差异不大。通过对以上两种模式下光谱图中RGB各波段的光强变化比以及主波长情况进行分析，认为半导体材料温度变化引起的能带差异以及电光转换效率不同是主要原因。

模拟调光；数字调光；LED；电流；亮度；色坐标

随着技术的发展，以及对节能环保的需求，LED液晶电视已经成为市场的主流。电视背光使用的LED为蓝光芯片加荧光粉的冷白光LED，由于蓝光芯片电流电压关系符合典型的二极管伏安特性曲线，为了保证背光光电性能的稳定性，目前LED背光电路驱动模式为恒流驱动。恒流驱动有两种模式，分别为模拟调光ADIM和数字调光PWMDIM两种电流控制模式。两种调光模式各具优势。本文通过对这两种电流控制模式下的LED液晶模组进行亮度、色坐标、温度测试，分析两种电流控制模式下的液晶模组的光学差异。

1 实验

以组装有一套白光LED(YAG+InGaN蓝光芯片)的 32 in(1 in=2.54 cm)直下式入光的液晶电视模组作为实验对象，在两种电流控制模式下，通过调节选单中的背光调节比例，逐步调节LED的平均电流。其中模拟调光为电流峰值调节，而数字调光为峰值不变(440 mA)，通过调节占空比来调节LED的平均电流。图1为相同平均电流400 mA条件下，数字调光和模拟调光的电流波形。

图1 400 mA平均电流两种模式下电流波形

在室温25 ℃条件下，将机器通电在白场画面点亮30 min后开始测试。用KONICA MINDLTA CS2000(配套数据处理系统为CS-10W)测试液晶模组白场的亮度、色坐标数据，使用Agilent Dso 6054A监测电流波形和数值，使用YOKOGAWA MX100监控测试机器内LED焊脚的温度。电流值每隔20 mA测试记录一组数据，每个电流值稳定10 min后进行亮度、色坐标、温度的读值。

2 结果和讨论

2.1 亮度对比

液晶电视模组点亮30 min后，整机系统内以及机器与环境基本已达到热平衡。通过用户选单调节背光的电流，得出两种电流控制模式下不同平均电流下的亮度数据。如图2所示，随着电流的降低，亮度呈线性降低，并且相同平均电流下，数字调光模式下比模拟调光模式下亮度要低，并且随着电流的降低，数字调光模式下的亮度降低幅度比模拟调光模式下亮度降低幅度要大得多。如420 mA平均电流下，数字调光模式下比模拟调光模式下亮度低6.4%，而到160 mA平均电流时，这个值达到49%。

图2 两种电流模式下亮度与电流变化曲线

图3为400 mA与260 mA平均电流两种电流控制模式下的光谱图。由于液晶玻璃的彩色滤光膜CF的RGB三色穿透波谱半高宽大于LED波谱，系统内膜片组件对光谱的吸收亦有限，故它们对测试点的光谱影响在此可以不作考虑。

图3 400 mA与260 mA平均电流两种电流控制模式下光谱

光功率Xe计算公式如下

(1)

式中：Xe为380～780 nm可见光范围内的总辐射功率；p(λ)为单位波长的辐射功率。

由图3及式(1)得出，平均电流均为400 mA条件下，数字调光模式下测试点波谱强度值比模拟调光模式降低，光功率计算值比模拟调光模式低5.8%。平均电流均为260 mA条件下，数字调光模式与模拟调光模式测试点波谱强度差异值进一步放大，B波段半高宽缩小，光功率计算值比模拟调光模式低17.7%。

通过对机器内LED焊脚的温度测试发现，数字调光比模拟调光模式下焊脚温度要高。表1为400 mA平均电流条件下(电流波形如图1所示，其中，数字调光占空比为89%)，数字调光和模拟调光两种模式下的LED焊脚温度Ts情况。

表1 系统内LED焊脚温度

Tj=Ts+P×Rth

(2)

式中：Tj为芯片温度；P为LED功率;Ts为LED焊脚温度;Rth为热阻，400 mA与260 mA时功率接近1 W，热阻可看作常数[1]，本样品值为15 K/W。

由表1及式(2)，模拟调光下，400 mA时计算芯片结温为351 K，数字调光模式下400 mA结温为353.8 K，数字调光模式下焊脚温度平均要高2.8 K(室温25 ℃)。260 mA平均电流条件下，模拟调光模式下计算芯片平均结温为329.5 K。理论上260 mA条件下数字调光模式ON状态下瞬时温升与400 mA时差不多，此点温度要比模拟调光模式下260 mA 产生的热量高很多。但260 mA时数字调光模式下OFF状态时有足够的时间将热在时间上平均(占空比为53%)。由于PWM的响应时间为纳秒级别，而温升测试系统的响应时间为秒级别，所以现有条件无法检测低占空比下的瞬时温度，但利用下节能带温升公式反推可得出260 mA时数字调光模式下比模拟调光模式LED芯片温度高约6.5 K。

InGaN蓝光芯片属于Ⅲ-Ⅴ族半导体材料，随着温度的升高，材料的能带发生变化，电子能量升高占据导带中能量高些的电子态[2]，电子空穴对发生辐射复合的几率变小。另有报道，根据物体的发射率关系VanRoosbröck-Shockle[2-3]关系，光子辐射跃迁几率是温度的减函数。也就是温度的升高降低了辐射复合率， 引起发光效率的降低。如上数据分析，相同平均电流不同电流控制模式下亮度的差异，主要由两种电流模式下LED温升差异引起。下一步将通过能带和波长与温度关系的变化做进一步分析。

2.2 色度对比

液晶电视模组点亮30 min后，通过用户选单调节背光的电流，得出两种电流控制模式下不同平均电流下的xy色坐标数据。如图4所示，随着电流的降低，CIExy坐标升高，对应色温降低。并且，x坐标值模拟调光模式下趋势比较平缓，变化值为0.001 9，数字调光下变化值为0.002 4，差异值不大。而y坐标值则在数字调光模式下趋势比较平缓，变化值为0.003，模拟调光下为0.003 7，差异值比较大。

图4 不同平均电流下CIE xy坐标曲线

结合表1，随着电流的降低，温度的降低，色坐标的x值和y值都增加。这与谭艳娥[4]等人对冷白样品的实验数据基本一致。王劲[5]等人认为波长与峰值半波宽变化引起了色坐标的变化。CIExy坐标变化主要由波长-光强比决定，以下从波长变化、RGB光强比例变化方面进行分析。

2.2.1 光强变化

由XYZ三刺激值式(3)可知，X值中R波段影响最大，Y值中G波段与R波段影响最大。坐标xy值是XYZ对应比例值。

(3)

由图5及图3可看出，R波段随着电流降低，相对其他两波段来说光强变化范围较小，峰值半高宽变化也不明显，所以x值仅在0.002范围内变化，但是数字调光模式下光强变化比模拟调光稍微明显，对应x坐标的变化也比模拟调光下明显。G波段峰值半高宽变化不明显，光强变化比例在三波段中居中，比R明显，数字调光模式下降低也比较明显。但对于Y值，R波段的贡献是负值，且对数值的占比比较大，直接影响到了Y值结果。GR波段都属于蓝光激发的光致发光(PL)，直接受蓝光光强大小的影响，并且PL发光功率有限，温度也是由芯片的热量决定，所以相比于B波段由芯片电致发光引起的光强变化，自然要轻微得多。

图5 RGB各波段的光强电流变化

B波段随着电流的降低，整体上强度降低幅度比RG波段明显，并且，数字调光模式下光强变化比模拟调光模式下剧烈。数字调光模式下，260 mA平均电流时“ON”状态下的导通电流依然为440 mA，单从电流方面考虑，xy值应该比较稳定[6]，实际测试数据则呈现出差异。随着电流降低，波长光强度线性降低是正常现象，但两种模式下线性降低的幅度差异，可以从材料的主波长与温度、电流之间的关系方面解释。

2.2.2 波长变化

从实验数据来看，平均电流从420 mA降到260 mA，模拟调光模式下蓝光B波段的主波长从 445 nm降到444.5 nm，数字调光模式下B波段的主波长从445 nm降到444 nm，出现了蓝移现象。但两种模式下G波段主波长稳定在534 nm，R波段稳定在602 nm。

主波长由材料的能带决定。据报道，蓝光芯片In组分为x的InGaN 禁带宽度与温度的关系为[7-8]

(4)

(5)

(6)

(7)

模拟调光下，400 mA时计算芯片结温为351 K，260 mA时计算芯片结温为329.5 K。只考虑热效应时，峰值波长与结温呈现较好的线性、正比关系[9-10]。假设取x为0.725，联立以上公式，得出模拟调光下电流从400 mA降低到 260 mA 蓝光波长蓝移1.5 nm。庄榕榕等人[9]线性拟合的峰值波长偏移的温度系数为0.077 0 nm/K，400 mA与260 mA LED芯片温度相差21 K，按此计算电流降低蓝光主波长蓝移1.6 nm。与上面的计算结果基本吻合。从以上公式可以反推出260 mA时数字调光模式下比模拟调光模式，LED芯片温度高约6.5 K。

对于蓝光芯片InGaN基而言，影响Ⅲ族氮化物多量子阱器件发射光谱的能隙间隔，除了热效应带来的变化外，还应考虑自发极化和压电极化效应带来的影响。在大电流密度下，会屏蔽极化场，而显示出载流子屏蔽效应，所以随着电流密度的减小，波长会出现红移。但从实验数据来看，平均电流从420 mA降到260 mA，模拟调光模式下蓝光B波段的主波长从 445 nm降到444.5 nm，数字调光模式下B波段的主波长从445 nm降到444 nm，结果上还是出现了蓝移现象。可见除了电流密度的影响之外，芯片温度的影响更大些，并且因为数字调光模式下温度更高，所以温度的影响更明显。绿波G和红波R属于蓝光激起的光致发光(PL)，因为PL能激发的载流子较少，对主波长的影响不大，两种模式下G波段稳定在534 nm，R波段稳定在602 nm。

3 结论

1)相同平均电流下，液晶电视模组数字调光模式下比模拟调光模式下亮度要低，并且随着电流的降低，数字调光模式下的亮度降低幅度比模拟调光模式下亮度降低幅度要大得多。

2)相同平均电流下，数字调光模式下液晶电视模组系统中LED芯片的温度比模拟调光模式下高。

3)随着电流的降低，CIExy坐标中x坐标值模拟调光模式下变化趋势比较平缓，变化值为0.001 9，数字调光下变化值为0.002 4，差异值不大。而y坐标值则在数字调光模式下趋势比较平缓，变化值为0.003，模拟调光下为0.003 7。

4)以上现象的主要原因为半导体材料能带与温度的负指数关系形成。数字调光模式下LED芯片的温度高引起材料的能带、主波长和发光效率变化。随着电流的降低，数字调光模式下占空比减小，导致温差进一步放大，引起两种模式下的亮度、色度差异放大。

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责任编辑：闫雯雯

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

【本文献信息】姚健平, 杨梅慧.电流调光模式对LED液晶模组光学性能的影响[J].电视技术,2015，39(13).

电子信息产业发展基金项目(财建[2010]305号、工信部财[2010]301号)

TN942.1

A

10.16280/j.videoe.2015.13.023

2015-04-09