電流調(diào)光模式對LED液晶模組光學(xué)性能的影響

姚健平, 楊梅慧

(康佳集團(tuán)股份有限公司，廣東 深圳 518053)

電流調(diào)光模式對LED液晶模組光學(xué)性能的影響

姚健平, 楊梅慧

(康佳集團(tuán)股份有限公司，廣東 深圳 518053)

對LED液晶模組，采用模擬調(diào)光ADIM和數(shù)字調(diào)光PWMDIM兩種電流控制模式，對比測試了模組的亮度、CIE色坐標(biāo)、LED焊腳溫度數(shù)據(jù)。實驗數(shù)據(jù)表明，相同整機(jī)系統(tǒng)下，平均電流相同時模擬調(diào)光比數(shù)字調(diào)光亮度高、LED芯片溫度低。隨著平均電流的減小，數(shù)字調(diào)光的亮度下降幅度比模擬調(diào)光明顯。數(shù)字調(diào)光模式CIEy坐標(biāo)變化比模擬調(diào)光小，但x坐標(biāo)差異不大。通過對以上兩種模式下光譜圖中RGB各波段的光強(qiáng)變化比以及主波長情況進(jìn)行分析，認(rèn)為半導(dǎo)體材料溫度變化引起的能帶差異以及電光轉(zhuǎn)換效率不同是主要原因。

模擬調(diào)光；數(shù)字調(diào)光；LED；電流；亮度；色坐標(biāo)

隨著技術(shù)的發(fā)展，以及對節(jié)能環(huán)保的需求，LED液晶電視已經(jīng)成為市場的主流。電視背光使用的LED為藍(lán)光芯片加熒光粉的冷白光LED，由于藍(lán)光芯片電流電壓關(guān)系符合典型的二極管伏安特性曲線，為了保證背光光電性能的穩(wěn)定性，目前LED背光電路驅(qū)動模式為恒流驅(qū)動。恒流驅(qū)動有兩種模式，分別為模擬調(diào)光ADIM和數(shù)字調(diào)光PWMDIM兩種電流控制模式。兩種調(diào)光模式各具優(yōu)勢。本文通過對這兩種電流控制模式下的LED液晶模組進(jìn)行亮度、色坐標(biāo)、溫度測試，分析兩種電流控制模式下的液晶模組的光學(xué)差異。

1 實驗

以組裝有一套白光LED(YAG+InGaN藍(lán)光芯片)的 32 in(1 in=2.54 cm)直下式入光的液晶電視模組作為實驗對象，在兩種電流控制模式下，通過調(diào)節(jié)選單中的背光調(diào)節(jié)比例，逐步調(diào)節(jié)LED的平均電流。其中模擬調(diào)光為電流峰值調(diào)節(jié)，而數(shù)字調(diào)光為峰值不變(440 mA)，通過調(diào)節(jié)占空比來調(diào)節(jié)LED的平均電流。圖1為相同平均電流400 mA條件下，數(shù)字調(diào)光和模擬調(diào)光的電流波形。

圖1 400 mA平均電流兩種模式下電流波形

在室溫25 ℃條件下，將機(jī)器通電在白場畫面點亮30 min后開始測試。用KONICA MINDLTA CS2000(配套數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)為CS-10W)測試液晶模組白場的亮度、色坐標(biāo)數(shù)據(jù)，使用Agilent Dso 6054A監(jiān)測電流波形和數(shù)值，使用YOKOGAWA MX100監(jiān)控測試機(jī)器內(nèi)LED焊腳的溫度。電流值每隔20 mA測試記錄一組數(shù)據(jù)，每個電流值穩(wěn)定10 min后進(jìn)行亮度、色坐標(biāo)、溫度的讀值。

2 結(jié)果和討論

2.1 亮度對比

液晶電視模組點亮30 min后，整機(jī)系統(tǒng)內(nèi)以及機(jī)器與環(huán)境基本已達(dá)到熱平衡。通過用戶選單調(diào)節(jié)背光的電流，得出兩種電流控制模式下不同平均電流下的亮度數(shù)據(jù)。如圖2所示，隨著電流的降低，亮度呈線性降低，并且相同平均電流下，數(shù)字調(diào)光模式下比模擬調(diào)光模式下亮度要低，并且隨著電流的降低，數(shù)字調(diào)光模式下的亮度降低幅度比模擬調(diào)光模式下亮度降低幅度要大得多。如420 mA平均電流下，數(shù)字調(diào)光模式下比模擬調(diào)光模式下亮度低6.4%，而到160 mA平均電流時，這個值達(dá)到49%。

圖2 兩種電流模式下亮度與電流變化曲線

圖3為400 mA與260 mA平均電流兩種電流控制模式下的光譜圖。由于液晶玻璃的彩色濾光膜CF的RGB三色穿透波譜半高寬大于LED波譜，系統(tǒng)內(nèi)膜片組件對光譜的吸收亦有限，故它們對測試點的光譜影響在此可以不作考慮。

圖3 400 mA與260 mA平均電流兩種電流控制模式下光譜

光功率Xe計算公式如下

(1)

式中：Xe為380～780 nm可見光范圍內(nèi)的總輻射功率；p(λ)為單位波長的輻射功率。

由圖3及式(1)得出，平均電流均為400 mA條件下，數(shù)字調(diào)光模式下測試點波譜強(qiáng)度值比模擬調(diào)光模式降低，光功率計算值比模擬調(diào)光模式低5.8%。平均電流均為260 mA條件下，數(shù)字調(diào)光模式與模擬調(diào)光模式測試點波譜強(qiáng)度差異值進(jìn)一步放大，B波段半高寬縮小，光功率計算值比模擬調(diào)光模式低17.7%。

通過對機(jī)器內(nèi)LED焊腳的溫度測試發(fā)現(xiàn)，數(shù)字調(diào)光比模擬調(diào)光模式下焊腳溫度要高。表1為400 mA平均電流條件下(電流波形如圖1所示，其中，數(shù)字調(diào)光占空比為89%)，數(shù)字調(diào)光和模擬調(diào)光兩種模式下的LED焊腳溫度Ts情況。

表1 系統(tǒng)內(nèi)LED焊腳溫度

Tj=Ts+P×Rth

(2)

式中：Tj為芯片溫度；P為LED功率;Ts為LED焊腳溫度;Rth為熱阻，400 mA與260 mA時功率接近1 W，熱阻可看作常數(shù)[1]，本樣品值為15 K/W。

由表1及式(2)，模擬調(diào)光下，400 mA時計算芯片結(jié)溫為351 K，數(shù)字調(diào)光模式下400 mA結(jié)溫為353.8 K，數(shù)字調(diào)光模式下焊腳溫度平均要高2.8 K(室溫25 ℃)。260 mA平均電流條件下，模擬調(diào)光模式下計算芯片平均結(jié)溫為329.5 K。理論上260 mA條件下數(shù)字調(diào)光模式ON狀態(tài)下瞬時溫升與400 mA時差不多，此點溫度要比模擬調(diào)光模式下260 mA 產(chǎn)生的熱量高很多。但260 mA時數(shù)字調(diào)光模式下OFF狀態(tài)時有足夠的時間將熱在時間上平均(占空比為53%)。由于PWM的響應(yīng)時間為納秒級別，而溫升測試系統(tǒng)的響應(yīng)時間為秒級別，所以現(xiàn)有條件無法檢測低占空比下的瞬時溫度，但利用下節(jié)能帶溫升公式反推可得出260 mA時數(shù)字調(diào)光模式下比模擬調(diào)光模式LED芯片溫度高約6.5 K。

InGaN藍(lán)光芯片屬于Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體材料，隨著溫度的升高，材料的能帶發(fā)生變化，電子能量升高占據(jù)導(dǎo)帶中能量高些的電子態(tài)[2]，電子空穴對發(fā)生輻射復(fù)合的幾率變小。另有報道，根據(jù)物體的發(fā)射率關(guān)系VanRoosbr?ck-Shockle[2-3]關(guān)系，光子輻射躍遷幾率是溫度的減函數(shù)。也就是溫度的升高降低了輻射復(fù)合率， 引起發(fā)光效率的降低。如上數(shù)據(jù)分析，相同平均電流不同電流控制模式下亮度的差異，主要由兩種電流模式下LED溫升差異引起。下一步將通過能帶和波長與溫度關(guān)系的變化做進(jìn)一步分析。

2.2 色度對比

液晶電視模組點亮30 min后，通過用戶選單調(diào)節(jié)背光的電流，得出兩種電流控制模式下不同平均電流下的xy色坐標(biāo)數(shù)據(jù)。如圖4所示，隨著電流的降低，CIExy坐標(biāo)升高，對應(yīng)色溫降低。并且，x坐標(biāo)值模擬調(diào)光模式下趨勢比較平緩，變化值為0.001 9，數(shù)字調(diào)光下變化值為0.002 4，差異值不大。而y坐標(biāo)值則在數(shù)字調(diào)光模式下趨勢比較平緩，變化值為0.003，模擬調(diào)光下為0.003 7，差異值比較大。

圖4 不同平均電流下CIE xy坐標(biāo)曲線

結(jié)合表1，隨著電流的降低，溫度的降低，色坐標(biāo)的x值和y值都增加。這與譚艷娥[4]等人對冷白樣品的實驗數(shù)據(jù)基本一致。王勁[5]等人認(rèn)為波長與峰值半波寬變化引起了色坐標(biāo)的變化。CIExy坐標(biāo)變化主要由波長-光強(qiáng)比決定，以下從波長變化、RGB光強(qiáng)比例變化方面進(jìn)行分析。

2.2.1 光強(qiáng)變化

由XYZ三刺激值式(3)可知，X值中R波段影響最大，Y值中G波段與R波段影響最大。坐標(biāo)xy值是XYZ對應(yīng)比例值。

(3)

由圖5及圖3可看出，R波段隨著電流降低，相對其他兩波段來說光強(qiáng)變化范圍較小，峰值半高寬變化也不明顯，所以x值僅在0.002范圍內(nèi)變化，但是數(shù)字調(diào)光模式下光強(qiáng)變化比模擬調(diào)光稍微明顯，對應(yīng)x坐標(biāo)的變化也比模擬調(diào)光下明顯。G波段峰值半高寬變化不明顯，光強(qiáng)變化比例在三波段中居中，比R明顯，數(shù)字調(diào)光模式下降低也比較明顯。但對于Y值，R波段的貢獻(xiàn)是負(fù)值，且對數(shù)值的占比比較大，直接影響到了Y值結(jié)果。GR波段都屬于藍(lán)光激發(fā)的光致發(fā)光(PL)，直接受藍(lán)光光強(qiáng)大小的影響，并且PL發(fā)光功率有限，溫度也是由芯片的熱量決定，所以相比于B波段由芯片電致發(fā)光引起的光強(qiáng)變化，自然要輕微得多。

圖5 RGB各波段的光強(qiáng)電流變化

B波段隨著電流的降低，整體上強(qiáng)度降低幅度比RG波段明顯，并且，數(shù)字調(diào)光模式下光強(qiáng)變化比模擬調(diào)光模式下劇烈。數(shù)字調(diào)光模式下，260 mA平均電流時“ON”狀態(tài)下的導(dǎo)通電流依然為440 mA，單從電流方面考慮，xy值應(yīng)該比較穩(wěn)定[6]，實際測試數(shù)據(jù)則呈現(xiàn)出差異。隨著電流降低，波長光強(qiáng)度線性降低是正?，F(xiàn)象，但兩種模式下線性降低的幅度差異，可以從材料的主波長與溫度、電流之間的關(guān)系方面解釋。

2.2.2 波長變化

從實驗數(shù)據(jù)來看，平均電流從420 mA降到260 mA，模擬調(diào)光模式下藍(lán)光B波段的主波長從 445 nm降到444.5 nm，數(shù)字調(diào)光模式下B波段的主波長從445 nm降到444 nm，出現(xiàn)了藍(lán)移現(xiàn)象。但兩種模式下G波段主波長穩(wěn)定在534 nm，R波段穩(wěn)定在602 nm。

主波長由材料的能帶決定。據(jù)報道，藍(lán)光芯片In組分為x的InGaN 禁帶寬度與溫度的關(guān)系為[7-8]

(4)

(5)

(6)

(7)

模擬調(diào)光下，400 mA時計算芯片結(jié)溫為351 K，260 mA時計算芯片結(jié)溫為329.5 K。只考慮熱效應(yīng)時，峰值波長與結(jié)溫呈現(xiàn)較好的線性、正比關(guān)系[9-10]。假設(shè)取x為0.725，聯(lián)立以上公式，得出模擬調(diào)光下電流從400 mA降低到 260 mA 藍(lán)光波長藍(lán)移1.5 nm。莊榕榕等人[9]線性擬合的峰值波長偏移的溫度系數(shù)為0.077 0 nm/K，400 mA與260 mA LED芯片溫度相差21 K，按此計算電流降低藍(lán)光主波長藍(lán)移1.6 nm。與上面的計算結(jié)果基本吻合。從以上公式可以反推出260 mA時數(shù)字調(diào)光模式下比模擬調(diào)光模式，LED芯片溫度高約6.5 K。

對于藍(lán)光芯片InGaN基而言，影響Ⅲ族氮化物多量子阱器件發(fā)射光譜的能隙間隔，除了熱效應(yīng)帶來的變化外，還應(yīng)考慮自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)帶來的影響。在大電流密度下，會屏蔽極化場，而顯示出載流子屏蔽效應(yīng)，所以隨著電流密度的減小，波長會出現(xiàn)紅移。但從實驗數(shù)據(jù)來看，平均電流從420 mA降到260 mA，模擬調(diào)光模式下藍(lán)光B波段的主波長從 445 nm降到444.5 nm，數(shù)字調(diào)光模式下B波段的主波長從445 nm降到444 nm，結(jié)果上還是出現(xiàn)了藍(lán)移現(xiàn)象。可見除了電流密度的影響之外，芯片溫度的影響更大些，并且因為數(shù)字調(diào)光模式下溫度更高，所以溫度的影響更明顯。綠波G和紅波R屬于藍(lán)光激起的光致發(fā)光(PL)，因為PL能激發(fā)的載流子較少，對主波長的影響不大，兩種模式下G波段穩(wěn)定在534 nm，R波段穩(wěn)定在602 nm。

3 結(jié)論

1)相同平均電流下，液晶電視模組數(shù)字調(diào)光模式下比模擬調(diào)光模式下亮度要低，并且隨著電流的降低，數(shù)字調(diào)光模式下的亮度降低幅度比模擬調(diào)光模式下亮度降低幅度要大得多。

2)相同平均電流下，數(shù)字調(diào)光模式下液晶電視模組系統(tǒng)中LED芯片的溫度比模擬調(diào)光模式下高。

3)隨著電流的降低，CIExy坐標(biāo)中x坐標(biāo)值模擬調(diào)光模式下變化趨勢比較平緩，變化值為0.001 9，數(shù)字調(diào)光下變化值為0.002 4，差異值不大。而y坐標(biāo)值則在數(shù)字調(diào)光模式下趨勢比較平緩，變化值為0.003，模擬調(diào)光下為0.003 7。

4)以上現(xiàn)象的主要原因為半導(dǎo)體材料能帶與溫度的負(fù)指數(shù)關(guān)系形成。數(shù)字調(diào)光模式下LED芯片的溫度高引起材料的能帶、主波長和發(fā)光效率變化。隨著電流的降低，數(shù)字調(diào)光模式下占空比減小，導(dǎo)致溫差進(jìn)一步放大，引起兩種模式下的亮度、色度差異放大。

[1] 毛德豐，郭偉玲. 功率LED 熱特性分析[J]. 照明工程學(xué)報，2009，20(2)：30-34.

[2] 王健，黃先. 溫度和電流對白光LED發(fā)光效率的影響[J].發(fā)光學(xué)報，2008，29(2)：358-361.

[3] FANG Rongchuan. Solid-state spectroscopy[M]. Hefei：University of Science and Technology of China Press， 2003.

[4] 譚艷娥，余彬海. 溫度對白光大功率LED分檔集中度的影響[J]. 半導(dǎo)體器件，2013，23(8)：603-608.

[5] 王勁， 梁秉文.大功率發(fā)光二極管光電特性及溫度影響研究[J]. 光學(xué)儀器，2007，29(2)：46-49.

[6] ZHOU Minchao，Lü Danzhu. Adual-path，current-sensing resistor-free boost LED driver with fast PWM dimming[J]. Journal of Semiconductors，2013，34(4)：1-5.

[7] WU J，WALUKIEWICZ W，YU K M， et al. Small band gap bowing in InxGa1-xN alloys [J]. Journal of Applied Physics Lett.，2002，80(25)：41-47.

[8] 楊樹人， 殷景志. 先進(jìn)半導(dǎo)體材料性能與數(shù)據(jù)手冊[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[9] 莊榕榕，蔡平. GaN基發(fā)光二極管波長偏移的研究[J]. 漳州師范學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2013(3)：66-70.

[10]殷錄橋，翁菲.LED芯片與YAG熒光粉的相互熱作用[J]. 光學(xué)學(xué)報，2014，34(3)：253.

責(zé)任編輯：閆雯雯

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

【本文獻(xiàn)信息】姚健平, 楊梅慧.電流調(diào)光模式對LED液晶模組光學(xué)性能的影響[J].電視技術(shù),2015，39(13).

電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展基金項目(財建[2010]305號、工信部財[2010]301號)

TN942.1

A

10.16280/j.videoe.2015.13.023

2015-04-09