初析电流调光模式对LED液晶模组光学性能的影响

黄爱东　刘杰宏

【摘 要】对LED液晶模组，采用模拟调光和数字调光两种电流控制模式，对比测试了模组的亮度、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。数字调光模式色坐标的y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三色光各波段的光強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。

【关键词】模拟调光；数字调光；LED；电流；亮度；色坐标

0 引言

当前LED液晶电视已经充彻市场，2K、4K智能电视已经成为市场主流，甚至ELED自带发光的液晶电视将成为趋势。而对于仍使用的LED为蓝光芯片加荧光粉的冷白光LED背光模式的液晶电视，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，分别为模拟调光和数字调光两种电流控制模式。两种调光模式各具优势。本文将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、温度进行测试，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的32英寸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，通过调节菜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（440mA），通过调节占空比来调节LED的平均电流。

在室温25℃条件下，将机器通电在白场画面点亮30min后开始测试。通过仪器测试液晶模组白场的亮度、色坐标数据、电流波形和数值以及试机器内LED焊脚的温度。电流值每隔20mA测试记录一组数据，每个电流值稳定10分钟后进行亮度、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30min后，整机内部温度与环境温度基本一致时。通过用户菜单调节背光的电流，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1所示，随着电流的降低，亮度也逐渐降低，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下降得快。如420mA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160mA平均电流时，这个值达到49%。

图2为400mA与260mA平均电流两种电流控制模式下光谱图。由于液晶玻璃的滤光片的三色光穿透波谱大于LED波谱，且模组内的膜片组件对光谱的吸收亦有限，故他们对测试点的光谱影响在此可以不作考虑。

由图2得出，在平均电流均为400mA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要低，光功率计算值比模拟调光模式低5.8%。在平均电流均为260mA条件下，数字调光模式下与模拟调光模式下测试点波谱强度差异值进一步扩大，绿光波段半峰宽度减小，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。下表1为400mA平均电流条件下（电流波形如图1，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。

公式为：Tj=Ts+P×Rth

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

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]。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进一步分析。

2.2 色度对比

液晶电视模组点亮30min后，通过用户菜单调节背光的电流，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。随着电流的降低，色度坐标升高，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0.0019，数字调光下变化值为0.0024，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0.0037，差异值比较大。

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[3]等人对冷白样品的实验数据基本一致。王劲[2]等人认为波长与峰值半波宽变化引起了色坐标的变化。色度坐标变化主要由波长-光强比决定。

对于蓝光芯片基而言，影响Ⅲ族氮化物多量子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。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420mA降到260mA，模拟调光模式下蓝光波段的主波长从445nm降到444.5nm，数字调光模式下蓝光波段的主波长从445nm降到444nm，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。两种模式下绿光波段稳定在534nm，红光波段稳定在602nm。

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的多。

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下高。

3）随着电流的降低，色度坐标中x坐标值模拟调光模式下变化趋势比较平缓，变化值为0.0019，数字调光下变化值为0.0024，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0.0037。

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。

【参考文献】

[1]毛德丰，郭伟玲，等.功率LED热特性分析[J].照明工程学报， 2009，20（2）：30-34.

[2]王健，黄先.温度和电流对白光LED发光效率的影响[J].发光学报，2008，29（2）：358-361.

[3]谭艳娥，余彬海，等.温度对白光大功率LED分档集中度的影响[J].半导体器件，2013，23（8）：603-608.

[4]王劲，梁秉文.大功率发光二极管光电特性及温度影响研究[J].光学仪器，2007，29（2）：46-49.endprint