LED背光替换CCFL背光的必要性

2019-12-02张传森邵吕霞

电子技术与软件工程 2019年13期

文/张传森邵吕霞

CCFL背光的液晶显示器经过长期使用后，因早期工艺控制及高压控制问题，故障率较高，主要失效模式是亮度衰减、黑屏和屏幕闪烁等。与LED背光模式相比，CCFL背光模式在背光寿命、可靠性和夜视兼容性应用等方面存在着较为明显的差距。所以要提升早期液晶显示器的光电性能和可靠性，降低故障率，需采用LED背光模式的液晶显示器替换CCFL背光液晶显示器。

1 CCFL背光的不足

1.1 亮度衰减较为严重

早期液晶显示器采用CCFL背光源，经过长期使用后会出现逐渐衰减，使得早期生产的液晶显示器亮度逐渐下降，甚至已影响信息判读。经统计，使用超过10年以上的CCFL背光液晶显示器，衰减程度达到40%以上。

用于机载环境液晶显示器的CCFL背光灯管，存在以下几项因素会导致老化加速、寿命锐减：

1.1.1 CCFL的亮度寿命随着灯管工作电流的增加而迅速衰减

液晶显示器以高亮度工作时，灯的电流也相应增大，而高亮度显示正是机载液晶显示器的特点之一。当驱动电流为5mA、平均寿命为20000小时的灯管以6mA电流工作时，仅有12000小时的平均寿命，而以10mA电流工作时仅为2000小时。因此持续的高亮度工作会导致液晶显示器背光寿命下降。

1.1.2 周期性开关易引起灯管老化

为实现PWM调光，背光以250Hz脉冲调制，在500000个累积脉冲周期后即会产生显著的老化现象，当CCFL背光单次连续工作30分钟以上，即会产生额外的积累性损害，尽管这一过程是缓慢的，但使得灯管用于背光时的实际半衰期远小于连续工作或较少工作应用条件下测得的数值。通过测试分析，CCFL初始亮度7200cd/m2，经7200小时后亮度衰减为5600cd/m2。

1.1.3 机载环境使用及存放会加速灯管老化

以上估算仅仅为一般温度环境中工作的情况，事实上机载环境工作的温度范围非常宽，CCFL灯管自身的发热也比较严重，灯管实际温湿环境变动很大，造成寿命下降。以40℃环境温度工作计，灯管附近温度可达到70℃以上，除加速电极物质升华损失外，灯管内气体蒸汽气压、分子离子平均碰撞动能显著增加，轰击电极、荧光粉造成老化加剧。同等工作电流情况下CCFL灯管温度达80℃时，CCFL的半亮度寿命会缩短75%以上。也可以近似计算，当CCFL灯管温度超过60℃，每增加10℃，半亮度寿命减少一半。

所以，相比于良好散热的理想测试条件，机载环境下CCFL灯管工作环境更严酷，这将加速灯管的老化。

1.2 低温工作特性较差

CCFL灯管依靠在交变电场激发灯管内的汞蒸汽发出紫外光，紫外光进一步激发荧光粉发出白色或其他各种颜色的可见光。在低温下CCFL背光模块工作有如下几个特点：起辉电压高、亮度低、寿命短。在低温时，汞蒸汽饱和气压极低，因此激发出的紫外光就少，灯光亮度就低。在-40℃的温度时，CCFL背光模块的亮度不到正常亮度的10%。为了CCFL背光模块能在低温时正常工作，需要预热、延时点亮启动。当温度低于0℃时，需要持续的给液晶显示模块加热，以保持CCFL背光模块处在最佳的工作温度。

1.3 可靠性较差

CCFL背光模块内部采用高压驱动电路，高压驱动电路易受温度和启动次数等因素影响，故障率高，整体可靠性较差。外场出现的黑屏、闪屏等故障现象多由高压驱动电路失效引起。

此外，CCFL模块内部为细长玻璃管结构，为保证其发光面发光利用的最大化，不产生光影，与外围结构支撑接触面要尽可能的少，导致模块耐冲击和振动性能较差，结构可靠性较差。

1.4 高压驱动电路电磁兼容性差

CCFL背光模块为高压（500V～1500V）、高频（20Khz～60KHz）驱动，并且电流波形一般不是整齐平滑的正弦波形。高压、高频电路在工作过程中易引起周围电场和磁场的变化。因此，灯管及驱动电路的电磁辐射较大，电磁兼容性能较差。

1.5 光效低、功耗大

由于CCFL背光模块为周边发光，在特定方向上的可利用光能只能达到60%～75%。因此，CCFL背光模块达到较高的亮度需要牺牲功耗为代价，较高的功耗又会加速背光器件的损耗，降低使用寿命。

1.6 色彩表现能力弱

CCFL背光方式色彩表现力较弱，仅能达到NTSC规定70%左右的色域，色彩还原能力较差。

1.7 后期维护保障困难

除了CCFL背光技术本身存在的不足之外，后续也存在着高压驱动电路相关器件停产，采购和替换高压器件工作难度较大，维护保障工作较为困难的情况。

2 LED背光主要性能优势

自研制初期，LED就被应用在包括手表、计算器、遥控器、指示灯在内的各种常见产品和家用设备。LED技术发展迅速，随着亮度和效率的不断提高，新的应用更是层出不穷。目前，LED背光技术在液晶显示器中应用越来越普遍，已成为液晶显示器的主流背光技术。

相对与传统的CCFL背光，LED背光显示出越来越多的优点，具有亮度高、寿命衰减小、功耗低、驱动电路简单可靠、色彩和画面显示效果好、电磁兼容性好及可靠性较高的特点。

2.1 高寿命

LED背光模块的平均寿命大于50000h，远高于CCFL背光的20000h。从目前使用情况来看，LED背光产品未发现有明显衰减现象。且LED背光相比于CCFL背光，亮度可以更高，可以轻松达到1000cd/m2以上，而CCFL背光达到同样的亮度需要牺牲较大的功耗。

由于LED背光的光/能利用效率比CCFL高，显示器达到同样亮度所耗能量比CCFL少，且LED背光系统热量非常集中，便于散热结构及散热通道的设计。因此，机载工作环境下，LED背光更为有利。

2.2 良好的低温工作特性

LED为半导体固态器件，随着温度的降低LED亮度会有所降低，-40℃时LED的亮度可达到正常亮度的80%以上，且可以无须延时直接点亮，该特性显著优于CCFL的低温特性。

2.3 良好的电磁兼容特性

LED背光不需要很高的交流电压，因此也就不需要逆变器。最基本的LED驱动器由5V～48V的直流电供电，并采用DC-DC升压电路为驱动LED串的恒流驱动器提供电压。LED的低电压或低频PWM驱动较CCFL的高压驱动方式电磁辐射低得多，约低10～20db。同时LED电路系统的低气压、防潮湿绝缘设计要求更低。

2.4 高可靠性

LED器件的失效率一般低于1×10-6/h，正常工作寿命为10万小时（半亮度周期）。LED驱动电路的可靠性要比CCFL逆变器的可靠性高得多。目前基于CCFL背光的机载显示器故障率最高的就是逆变器。

此外，简单的安装紧固方式使得LED背光的抗振动、冲击性能要比CCFL好，结构可靠性更强。

2.5 光效高、功耗低

目前白色LED的发光效率已经达到110～130 lm/w，发光效率远远超过CCFL。在国际市场上可选用的高亮度白色LED光的利用效率比CCFL高出80～100%。因此，实现同等亮度情况下，LED背光所消耗的功耗更少，对结构散热条件要求更低。

2.6 色彩和画面显示效果更好

LED背光技术有更好的色域，其色彩表现能力强于CCFL背光技术，可以达到NTSC规定色域的105%以上，能产生饱和的色彩，色彩还原性好，显示画面更加艳丽和通透。

3 夜视兼容性应用

随着能力提升的需要，后续液晶显示器会存在增加夜视兼容性的可能性。若对早期的CCFL背光显示器重新开展夜视兼容性设计，面临着较大的技术难度和较高的改装成本，对售后维护也会提出新的要求。因此，针对需要增加夜视兼容能力的液晶显示器，可采用LED背光液晶显示模块进行替换，在进行夜视兼容能力提升的同时，还可以有效改善显示器亮度、可视性、可靠性等问题，减少技术风险和难度，有效控制改装成本，降低维护难度，提高产品的可维护性。