一种LED显示屏电光转换效率的计算方法

张奇，肖华勇，吴能友，何昆鹏

（深圳市奥拓电子股份有限公司，广东深圳，518057）

0 引言

能源作为人类活动必须品，主要来源于对大自然的汲取和提炼，随着人类活动的不断扩张和生活的不断追求，能源问题越来越突出，要求我们有更高的能源利用率，LED发光二极管应运而生，其工作原理是在某些特定的半导体材料中，在正向导通的情况下，注入二极管P/N节区电子和空穴相遇复合，将电势能转换为光能。在能耗方面，LED灯的能耗是白炽灯的十分之一，是节能灯的四分之一，这是LED灯的一个最大的特点。此文的目的就是通过一种实验与理论结合的方法来评价LED显示屏的能效，揭示LED显示屏在节能指标的优劣势和未来我们要努力的目标是什么。

1 LED显示屏光电转换效率

LED显示屏的电气系统一般由以下几个部分构成：电源系统，控制模块，显示模块。电源系统一般由若干个AC-DC开关电源构成，主要功能是为控制模块提供电能，保证屏体正常工作；控制模块的主要功能是通过一定的算法将标准视频源信号，例如HDMI，DVI，DP等视频源信号转换成特定的编码信号，使得视频源图像能够完整的，正确的显示在屏体上，显示模块的主要是由LED发光二极管点阵构成的，包含PCB板，LED驱动芯片等基本电子元器件，主要功能就是负责图像的呈现。因此，我们将LED显示屏的能效定义为：

其中：WLED—LED显示屏所使用的LED发光二极管有效光功率（单位：瓦特），WLEDDisplay—LED显示屏交流电功耗（单位：瓦特）。

2 LED显示屏的能效计算

如何计算LED显示屏的能效，可以通过测量光通量的方法进行计算。如果使用量子光电转换效率进行计算，由于过于复杂，并不实用。

2.1 LED显示屏基本构成

为了更好的理解LED显示屏的能效，现对LED显示屏的基本构成进行详细的说明，一般的讲，它由LED像素点阵，LED恒流驱动IC，控制单元，AC-DC供电模块构成，详见图1，LED显示点阵模块中的三色LED灯正极供电电压为VM，由开关电源供电，LED灯珠的红，绿，蓝三种颜色共同采用相同的供电电压，供电电压通常在4.2～5V；每个LED发光二极管负极电压，分别为VB_VOL，VG_VOL，VR_VOL，则红，绿，蓝发光二极管管压降一般情况下分别为：

图1 LED显示屏基本系统构成示意图

流经每个发光二极管的恒定电流分别为Ir(mA)，Ig(mA)，Ib(mA)。

由上述可知:

其中：μAC/DC—电源转换效率；IS—控制模块消耗电流(A)；MI—显示屏模块消耗电流(A)。

2.2 光效LEDη及电光效率LEDμ的计算

一般的来讲，我们可以认为，纯粹的电光转换效率可以通过如下公式计算：

其中：V f,If—分别是指LED发光二极管的正向导通电压和导通电流值。

然而我们发现，上述公式中的θ出光效率很难通过实验的方式取得相关的数据；也称为LED灯的外部量子效率，其为组件的内部量子效率与取出效率的乘积。所谓内部量子效率，其实就是P-N结本身的电光转换效率，主要与本身的特性（如材料的能带、缺陷、杂质）、组件的垒晶组成及结构等相关。而取出效率则指的是P-N结内部产生的光子，在经过外围固件本身的吸收、折射、反射后，实际在外部可测量到的光子数目。因此，关于取出效率的因素包括了LED灯材料本身的吸收、几何结构、封装材料的折射率差及组件结构的散射特性等。而内部量子效率与组件的取出效率的乘积，就是整个LED灯的出光效率，也就是组件的外部量子效率。早期Led灯发展集中在提高其内部量子效率，主要方法是通过提高垒晶的质量及改变垒晶的结构，使电能不易转换成热能，进而间接提高LED的发光效率，从而可获得70%左右的理论内部量子效率，但是这样的内部量子效率已经接近理论上的极限，工艺要求会更高，随之带来的是成本问题。而出光效率可以通过如下方法进行提高：(1)优化芯片发光层结构；(2)提高光引出效率的芯片技术；(3)光子晶体技术；(4)电极和电流扩展技术；(5)光学薄膜技术；(6)改进光学封装技术，采用二次光学设计技术等。

R—是指LED灯发光二极管的导通内阻，然而导通内阻受到很多因素的影响，并非是一个恒定的数值，例如LED的P-N结结温。

我们通过光通量的测量来取得另外一种方法来评估发光效率，因此对于LEDW是要特指LED发光二极管所发出的对人眼有效的刺激光子的总功率大小。

想要正确反映光度学计量，我们必须利用功耗分布函数V(λ)对辐射量进行修正，如果我们知道相对辐射光功率分布P(λ),我们就可以计算出流明通量分布规律：

总流明通量：

其中P(λ)是光功率谱，也就是每单位波长光发射功率，683lm/W是标准化因子。光源总的光发射功率可以被给出：

光辐射的流明效率是光的流明光通量与光源总的发射功率之比：

而一般情况下，对于人眼而言，设光源的辐射能量为Φe(λ)，人眼感觉到光通量为 Φv,按照CIE标准光度观察的视觉特性V(λ),λ= 380nm～780nm来评价辐射能量为 Φe即为光通量vΦ:

通过辐射能量Φe(λ)的积分计算取得：

因此，我们可以通过测试光通量和辐射通量，我们可以得出对应RGB三色LED及不同工作电流fI的情况下的光效曲线及效率曲线μLED× 1 00%。

通过实验得出某国产SMD 三合一LED发光二极管在常温下光效分布如图2及效率分布如图3所示。

图2 不同颜色的LED灯珠在不同电流下的光效曲线

图3 电光转换效率与正向电流fI曲线

从图中可以看出，LED灯的电光转换效率LEDμ随着电流的大小先增后降，其中红色电光转换效率最高，绿色光效最低。这种趋势的主要原因是当电流达到一定值的时候，电子-空穴的复合达到饱和的状态，不再是线性的输出。这与二极管的伏安特性曲线非常的类似。当电流继续增大的情况下，光效会有所下降，当正向电流继续增大之后，热效应明显起到主导作用。其根本原因在《InGaN 蓝光LED量子效率与注入电流关系的研究》一文中有相关的解释说明：当电流密度达到一定程度时，非辐射复合肖克莱德霍尔（SRH）复合和俄歇复合逐渐增加，俄歇复合产生的热电子也可以越过电子阻挡层进入P区与空穴发生非辐射的复合。

2.3 LED显示屏的能效评估

通过上述的实验数据，为我们评估LED显示屏的能效打下了比较好的基础。

现在假设一个显示模块大小是480mm×240mm，其像素分辨率大小是：60×30的LED点阵，扫描方式Scan=1/5。测得的VRF,VGF,VBF电压值分别为：

测试得的红，绿，蓝正向导通电流为：15.35，15.35，9.2mA，从图2所示的数据，我们可以得出单个LED灯珠的发光效率LEDμ分别为：

根据LED显示屏的基本工作原理可知，一个模组的电光效率λR,G,B公式为：

其中：Scan — LED显示屏的扫描数值；N—LED显示屏像素点总数。

于是我们可以计算得出：

一个显示模组的总的光电转换效率为：

而对于相对于开关电源的转换效率，我们再进行一次转换，一般情况下，开关电源的转换效率为0.87。所以最终的LED显示屏转换电光转换效率为：

考虑受到LED显示屏的工作温度的影响，LED显示屏的电光转换效率会比15.4%要低，因此大概数值在10%以下。环境温度对电光转换效率的影响还需要进一步研究。

2.4 LED显示屏节能的评估

我们通过历史数据的对比，如表1所示。

表 1

我们发现LED显示屏的光效除了绿灯以外，红色与蓝色的光效与LED荧光LED管的发光效率相当，并没有人们想象的那样比较节能。主要原因:

(1)LED灯内部光效不高，Rη，Bη没有超过50lm/W。

(2)从电光转换效率上看μR＞μB＞μG，这个取决于两个方面。①P-N结量子效率；②取光效率。量子效率主要依靠材料制备技术的进步，通过改善发光层晶体质量，提高器件的载流子注入效率和复合效率，这方面的提升空间目前已经变得较为有限。取光效率的提升还有很大的开发空间，这方面的主要工作将在于：①提高光从发光层逸出的效率；②改善芯片切割工艺，减少透明蓝宝石衬底侧面亮度吸收损失。

3 结束语

通过实验测试数据和公式推导，一台LED显示屏的电光转换效率大概只有15.4%左右，如果考虑环境温度的影响，这个数值比目前测算的数据更小，可能要低于10%以下，大部分的能量是通过热量的形式散发掉。从应用层面来讲，这也说明LED显示屏因为其复杂的控制链路，导致电光转换效率得到了进一步的缩水。从LED显示屏的原理上看，提高LED显示屏的电光转换效率主要从以下几个方面出发：

(1)降低LED灯的供电电压：VM。这是目前比较通用的方法，而且效果比较明显，带有扫描方式的LED光模块，通常需要行驱动控制，即我们所说的MOS开关管，因为我们可以使用更低内阻的MOS管也可以提高电光转换效率，目前比较热门的话题是氮化镓MOS管，这种MOS管有非常低的内阻特性。

(2)降低驱动IC恒流输出通道的电压值：VOL，即降低LED驱动IC的热散耗，目前比较多的设计方案为共阴驱动，动态节能等。

(3)使用带PFC的开关电源，一般情况下带有PFC模块的电源效率在87%以上，而不带PFC模块的开关电源的效率只有60%左右。我国CCC强制认证有明确规定，对于超过75W开关电源，需要符合《GB17625.1-2012电磁兼容限值谐波电流发射限值(设备每相输入电流≤16-A)》。LED显示屏作为信息技术设备类产品，对谐波的要求也是有明文规定。