LED背光替換CCFL背光的必要性

文/張傳森 邵呂霞

CCFL背光的液晶顯示器經(jīng)過長期使用后，因早期工藝控制及高壓控制問題，故障率較高，主要失效模式是亮度衰減、黑屏和屏幕閃爍等。與LED背光模式相比，CCFL背光模式在背光壽命、可靠性和夜視兼容性應(yīng)用等方面存在著較為明顯的差距。所以要提升早期液晶顯示器的光電性能和可靠性，降低故障率，需采用LED背光模式的液晶顯示器替換CCFL背光液晶顯示器。

1 CCFL背光的不足

1.1 亮度衰減較為嚴(yán)重

早期液晶顯示器采用CCFL背光源，經(jīng)過長期使用后會出現(xiàn)逐漸衰減，使得早期生產(chǎn)的液晶顯示器亮度逐漸下降，甚至已影響信息判讀。經(jīng)統(tǒng)計，使用超過10年以上的CCFL背光液晶顯示器，衰減程度達(dá)到40%以上。

用于機(jī)載環(huán)境液晶顯示器的CCFL背光燈管，存在以下幾項因素會導(dǎo)致老化加速、壽命銳減：

1.1.1 CCFL的亮度壽命隨著燈管工作電流的增加而迅速衰減

液晶顯示器以高亮度工作時，燈的電流也相應(yīng)增大，而高亮度顯示正是機(jī)載液晶顯示器的特點之一。當(dāng)驅(qū)動電流為5mA、平均壽命為20000小時的燈管以6mA電流工作時，僅有12000小時的平均壽命，而以10mA電流工作時僅為2000小時。因此持續(xù)的高亮度工作會導(dǎo)致液晶顯示器背光壽命下降。

1.1.2 周期性開關(guān)易引起燈管老化

為實現(xiàn)PWM調(diào)光，背光以250Hz脈沖調(diào)制，在500000個累積脈沖周期后即會產(chǎn)生顯著的老化現(xiàn)象，當(dāng)CCFL背光單次連續(xù)工作30分鐘以上，即會產(chǎn)生額外的積累性損害，盡管這一過程是緩慢的，但使得燈管用于背光時的實際半衰期遠(yuǎn)小于連續(xù)工作或較少工作應(yīng)用條件下測得的數(shù)值。通過測試分析，CCFL初始亮度7200cd/m2，經(jīng)7200小時后亮度衰減為5600cd/m2。

1.1.3 機(jī)載環(huán)境使用及存放會加速燈管老化

以上估算僅僅為一般溫度環(huán)境中工作的情況，事實上機(jī)載環(huán)境工作的溫度范圍非常寬，CCFL燈管自身的發(fā)熱也比較嚴(yán)重，燈管實際溫濕環(huán)境變動很大，造成壽命下降。以40℃環(huán)境溫度工作計，燈管附近溫度可達(dá)到70℃以上，除加速電極物質(zhì)升華損失外，燈管內(nèi)氣體蒸汽氣壓、分子離子平均碰撞動能顯著增加，轟擊電極、熒光粉造成老化加劇。同等工作電流情況下CCFL燈管溫度達(dá)80℃時，CCFL的半亮度壽命會縮短75%以上。也可以近似計算，當(dāng)CCFL燈管溫度超過60℃，每增加10℃，半亮度壽命減少一半。

所以，相比于良好散熱的理想測試條件，機(jī)載環(huán)境下CCFL燈管工作環(huán)境更嚴(yán)酷，這將加速燈管的老化。

1.2 低溫工作特性較差

CCFL燈管依靠在交變電場激發(fā)燈管內(nèi)的汞蒸汽發(fā)出紫外光，紫外光進(jìn)一步激發(fā)熒光粉發(fā)出白色或其他各種顏色的可見光。在低溫下CCFL背光模塊工作有如下幾個特點：起輝電壓高、亮度低、壽命短。在低溫時，汞蒸汽飽和氣壓極低，因此激發(fā)出的紫外光就少，燈光亮度就低。在-40℃的溫度時，CCFL背光模塊的亮度不到正常亮度的10%。為了CCFL背光模塊能在低溫時正常工作，需要預(yù)熱、延時點亮啟動。當(dāng)溫度低于0℃時，需要持續(xù)的給液晶顯示模塊加熱，以保持CCFL背光模塊處在最佳的工作溫度。

1.3 可靠性較差

CCFL背光模塊內(nèi)部采用高壓驅(qū)動電路，高壓驅(qū)動電路易受溫度和啟動次數(shù)等因素影響，故障率高，整體可靠性較差。外場出現(xiàn)的黑屏、閃屏等故障現(xiàn)象多由高壓驅(qū)動電路失效引起。

此外，CCFL模塊內(nèi)部為細(xì)長玻璃管結(jié)構(gòu)，為保證其發(fā)光面發(fā)光利用的最大化，不產(chǎn)生光影，與外圍結(jié)構(gòu)支撐接觸面要盡可能的少，導(dǎo)致模塊耐沖擊和振動性能較差，結(jié)構(gòu)可靠性較差。

1.4 高壓驅(qū)動電路電磁兼容性差

CCFL背光模塊為高壓（500V～1500V）、高頻（20Khz～60KHz）驅(qū)動，并且電流波形一般不是整齊平滑的正弦波形。高壓、高頻電路在工作過程中易引起周圍電場和磁場的變化。因此，燈管及驅(qū)動電路的電磁輻射較大，電磁兼容性能較差。

1.5 光效低、功耗大

由于CCFL背光模塊為周邊發(fā)光，在特定方向上的可利用光能只能達(dá)到60%～75%。因此，CCFL背光模塊達(dá)到較高的亮度需要犧牲功耗為代價，較高的功耗又會加速背光器件的損耗，降低使用壽命。

1.6 色彩表現(xiàn)能力弱

CCFL背光方式色彩表現(xiàn)力較弱，僅能達(dá)到NTSC規(guī)定70%左右的色域，色彩還原能力較差。

1.7 后期維護(hù)保障困難

除了CCFL背光技術(shù)本身存在的不足之外，后續(xù)也存在著高壓驅(qū)動電路相關(guān)器件停產(chǎn)，采購和替換高壓器件工作難度較大，維護(hù)保障工作較為困難的情況。

2 LED背光主要性能優(yōu)勢

自研制初期，LED就被應(yīng)用在包括手表、計算器、遙控器、指示燈在內(nèi)的各種常見產(chǎn)品和家用設(shè)備。LED技術(shù)發(fā)展迅速，隨著亮度和效率的不斷提高，新的應(yīng)用更是層出不窮。目前，LED背光技術(shù)在液晶顯示器中應(yīng)用越來越普遍，已成為液晶顯示器的主流背光技術(shù)。

相對與傳統(tǒng)的CCFL背光，LED背光顯示出越來越多的優(yōu)點，具有亮度高、壽命衰減小、功耗低、驅(qū)動電路簡單可靠、色彩和畫面顯示效果好、電磁兼容性好及可靠性較高的特點。

2.1 高壽命

LED背光模塊的平均壽命大于50000h，遠(yuǎn)高于CCFL背光的20000h。從目前使用情況來看，LED背光產(chǎn)品未發(fā)現(xiàn)有明顯衰減現(xiàn)象。且LED背光相比于CCFL背光，亮度可以更高，可以輕松達(dá)到1000cd/m2以上，而CCFL背光達(dá)到同樣的亮度需要犧牲較大的功耗。

由于LED背光的光/能利用效率比CCFL高，顯示器達(dá)到同樣亮度所耗能量比CCFL少，且LED背光系統(tǒng)熱量非常集中，便于散熱結(jié)構(gòu)及散熱通道的設(shè)計。因此，機(jī)載工作環(huán)境下，LED背光更為有利。

2.2 良好的低溫工作特性

LED為半導(dǎo)體固態(tài)器件，隨著溫度的降低LED亮度會有所降低，-40℃時LED的亮度可達(dá)到正常亮度的80%以上，且可以無須延時直接點亮，該特性顯著優(yōu)于CCFL的低溫特性。

2.3 良好的電磁兼容特性

LED背光不需要很高的交流電壓，因此也就不需要逆變器。最基本的LED驅(qū)動器由5V～48V的直流電供電，并采用DC-DC升壓電路為驅(qū)動LED串的恒流驅(qū)動器提供電壓。LED的低電壓或低頻PWM驅(qū)動較CCFL的高壓驅(qū)動方式電磁輻射低得多，約低10～20db。同時LED電路系統(tǒng)的低氣壓、防潮濕絕緣設(shè)計要求更低。

2.4 高可靠性

LED器件的失效率一般低于1×10-6/h，正常工作壽命為10萬小時（半亮度周期）。LED驅(qū)動電路的可靠性要比CCFL逆變器的可靠性高得多。目前基于CCFL背光的機(jī)載顯示器故障率最高的就是逆變器。

此外，簡單的安裝緊固方式使得LED背光的抗振動、沖擊性能要比CCFL好，結(jié)構(gòu)可靠性更強(qiáng)。

2.5 光效高、功耗低

目前白色LED的發(fā)光效率已經(jīng)達(dá)到110～130 lm/w，發(fā)光效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過CCFL。在國際市場上可選用的高亮度白色LED光的利用效率比CCFL高出80～100%。因此，實現(xiàn)同等亮度情況下，LED背光所消耗的功耗更少，對結(jié)構(gòu)散熱條件要求更低。

2.6 色彩和畫面顯示效果更好

LED背光技術(shù)有更好的色域，其色彩表現(xiàn)能力強(qiáng)于CCFL背光技術(shù)，可以達(dá)到NTSC規(guī)定色域的105%以上，能產(chǎn)生飽和的色彩，色彩還原性好，顯示畫面更加艷麗和通透。

3 夜視兼容性應(yīng)用

隨著能力提升的需要，后續(xù)液晶顯示器會存在增加夜視兼容性的可能性。若對早期的CCFL背光顯示器重新開展夜視兼容性設(shè)計，面臨著較大的技術(shù)難度和較高的改裝成本，對售后維護(hù)也會提出新的要求。因此，針對需要增加夜視兼容能力的液晶顯示器，可采用LED背光液晶顯示模塊進(jìn)行替換，在進(jìn)行夜視兼容能力提升的同時，還可以有效改善顯示器亮度、可視性、可靠性等問題，減少技術(shù)風(fēng)險和難度，有效控制改裝成本，降低維護(hù)難度，提高產(chǎn)品的可維護(hù)性。

4 結(jié)論與建議

通過分析，CCFL背光技術(shù)與LED背光技術(shù)相比，在使用壽命、顯示亮度、顯示效果、驅(qū)動電路工作穩(wěn)定性、安全性、可靠性及售后維護(hù)等方面均存在著一定的差距，且針對CCFL背光液晶顯示器增加夜視兼容功能的改進(jìn)技術(shù)難度較大，成本較高。

因此，如需進(jìn)一步提升液晶顯示器的光電性能和可靠性，滿足夜視兼容性的要求，建議采用LED背光的液晶顯示器替換CCFL背光的液晶顯示器。