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白光发光二极管（WLED）的背光设计方法

中华显示网 发布时间：2007-05-25 17:17

文/郭长佑

白光发光二极管（White Light-Emitting Diode；WLED，也经常写成：White LED）的出现，使LED摆脱过去只能用在指示灯、霓虹灯饰等场合使用，开始往电子照明领域迈进，包括汽车的方向辅助灯、初级数码相机的闪光灯等都已能用WLED代替，更有业者将WLED的裸晶面积加大制造，从2mm×2mm扩增至5mm×5mm，增强其发光，使WLED也能用在汽车的主照灯上。除此之外，WLED还有一项热门的应用，即LCD的背光源，以取代以往的冷阴极灯管（CCFL）。不过，现阶段将WLED用于背光有利也有弊，如何取利舍弊，将是设计者所关切的。
手机、数码相机（1.2英吋～2.5英吋）
一般而言，手机、数码相机（预览窗）等装置所配属的LCD显示器皆属小尺寸，如2.2英吋、2.5英吋等，而有的翻盖式手机还配有副显示屏，副显示屏较主屏小，约多在1.2英吋左右，以上这些小尺寸的LCD若用WLED作为其背光源，只要简单地将3～6颗WLED（使用颗数端视画面大小而定）加以串并联即可实现。
WLED除了做手机、数码相机的LCD背光外也能有其它的用处，例如今日的手机在按键时也会发光，以方便使用者在暗处拨号，或者来电时天线部位会发光提示，这些也都可用WLED。另外初级数码相机或带有照相功能的手机，也开始用WLED充当闪光灯（约1～4颗），如此在单一装置内使用更多颗的WLED，组件用量增加且一致化，在设计及制造的供应调度上都有益处。
虽然小尺寸LCD的背光只要简单串并、排列3～6颗WLED即可，但进一步有两个问题：
1、若同一装置内有WLED型闪光灯，闪光灯需要比背光更高的驱动电流，甚至需要有预闪功能（防红眼）。
2、背光的亮度并非一成不变，有时会有节能模式的人性化设计，在省电模态下自动将背光亮度降低，或者允许使用者自行调整亮度。
所以WLED背光的驱动电路还必须有调节驱动电流的能力，且照相手机越来越多，数码相机使用WLED型闪光灯的机会也越来越高，因此对设计者而言必须设计2组WLED驱动电路，1组供WLED背光使用，1组供WLED闪光使用，同时2组都要有调整亮度的能力。
由于这类型的设计需求越来越多，因此许多模拟IC、电源管理IC的业者纷纷提出解决方案，即WLED驱动IC，驱动IC可同时掌控WLED背光与WLED闪光，包括On/Off的亮灭控制、多段式亮度控制等，其中亮度控制只要改变流经WLED的电流量即可，流量大则亮度高，流量小则亮度低，改变方式可采用电压调整法或脉宽调变（PWM）法。
所谓电压调整法，在于改变WLED的驱动电压，电压高则流经WLED的电流量也会增加，进而增亮，反之亦然。但电压调整法对电流量的操控不够细腻，些微的电压改变就会使电流量大幅变动，除非使用极细腻的电压调整电路，但因此也会使成本与电路体积增大。
相对的PWM法是改变WLED明灭的工作周期，以WLED的导通（点亮驱动）周期百分比、频率来控制亮度，不仅可以细腻调整，而且成本、复杂度都较低，目前WLED驱动IC普遍采行此法来调整亮度。
现有模拟IC、电源管理IC业者几乎都有提供，如Linear、MAXIM、Micrel、NEC、NS、以及TI等。台湾业者也有ARQUES（雅捷科技）、AIC（沛亨半导体）、AME（安茂微电子）、以及Richtek（立锜科技）等。
用WLED取代CCFL有何优点？有何缺点？
先说优点，WLED只要正向电压即可驱动，且可以直接用锂电池的3.6V来驱动，相对的CCFL需要交流电压才能驱动，且要较高的驱动电压（多在正负10V以上），所以电源不仅要反相还要升压，供电设计的复杂度高过WLED。WLED还有其它优点，例如没有使用有害物质，容易通过欧盟订立的RoHS法规，相对的CCFL是运用汞气体（汞蒸气）发光，铅、汞等有害物将逐步受各国市场限制。另外WLED具抗冲撞性，而CCFL一旦受冲撞破裂，就无法再行发光。
至于缺点，目前WLED的用电效率仍不如CCFL，因此手持装置在相同的电池电容量下，WLED将较CCFL耗电，使装置待机时间缩短。
PDA、PMP（3.5英吋～7英吋）
比手机、数码相机更大显示尺寸的手持装置有个人数字助理（PDA）、便携式媒体播放器（PMP）等，当然也包括电子字典、股票机、掌上游戏器，这些约在3.5英吋、3.7英吋左右，最高也有到7英吋的规格。
由于光均匀度的问题，再大尺寸就不适合用WLED的直接配置来形成背光，这时需改用背光模块（Back Light Module）。模块已将WLED光源运用折射、导光板及其它相关工艺技术来处理光均度问题，而PDA、PMP的产品设计者则多采直接向模块业者购买WLED背光模块。不过，依然有些设计业者倾向不用现成的WLED背光模块，而使用更多颗的WLED（如6～9颗）来形成背光，并以实体配置排列及稳压稳流等控制来维持光均匀。另外从原理看，WLED属点光源，而CCFL属线光源，在光均匀度克服上WLED难于CCFL，台湾WLED背光模块业者，有瑞仪光电（技术来自茶谷，大同子公司）、福华电子（技术来自茶谷）、华新丽华（技术来自Denyo）、华荣电缆（技术来自富士通化成）、兴隆发电子（技术来自桐生）、中强光电、辅祥实业、科桥电子、定莹光电、优技计算机、云光科技、精工美术、奈普光电（铼德投资）、和立联合、康竣光电、元津科技等业者投入LCD背光。日本有Stanley电气、Denyo、茶谷产业、富士通化成、多摩电气等。
LCD Monitor、LCD TV（8.4英吋以上）
到了LCD Monitor（含Desktop PC与Laptop PC）与LCD TV这个层级，至少也有8.4英吋、12.1英吋，甚至多数都在15英吋、17英吋以上，到此层次WLED也有与PDA/PMP层次相同的光均匀度问题，而且比中小尺寸时更为严重，同时又衍生出散热问题及价格问题。
关于散热问题。就大尺寸LCD的背光来说，由于要在低扁的空间中密布大量的WLED，WLED的热量将不易消散，这是CCFL之类的冷光源所没有的问题。而且必须光均匀度与散热两项都要顾及。此外，目前已有业者（如Sony）克服了WLED背光的散热问题，进而将散热技术申请专利，使其它业者难以仿效跟进，也让WLED背光应用于大尺寸产品的进度受阻。
其次是价格。目前WLED的单价成本仍因荧光粉专利技术而偏高。根据估计，在相同的大尺寸背光需求下，使用WLED的成本将是CCFL的5倍，因此现阶段Sony、Samsung等业者虽然有推出实际量产的WLED背光型LCD TV，但都应用在高价位的高端产品，所以价格也是WLED背光难普及于大尺寸应用的一大原因。虽然在中小尺寸的应用也有相同的价差问题，但都不如大尺寸明显。
同样的，WLED的用电效率不如CCFL，在小面积时也不是大问题，但背光面积加大后便让问题突显，如Laptop PC的电量有限，用电问题也就必须克制。
比较庆幸的是，WLED的亮度技术、发光效率等仍持续有幅度性成长、突破，如此相同面积内所用的WLED数目将逐渐减少，使散热问题不致更加严重。
结论
虽然有许多挑战，但业者仍会加紧积极克服。RoHS法规是一大压力，除欧洲外其它国家也有类似的规范提案，或者是已经定案，如日本的“The Promotion of procurement of Eco-friendly Goods and Services”或大陆的“电子信息产品生产污染防治管理办法”，只是宽严性与实施脚步的差异。这些都迫使电子设计须尽速舍取的原因。
不过，WLED也并非是唯一的可行方案，业者也积极发展无汞型CCFL，或者是以OLED技术实现平面光源（面型发光，光均匀度胜过点型WLED与线型CCFL），无汞型CCFL若在价格、设计上与以往传统的CCFL高度兼容，或者OLED背光提前成熟等，都将挤压现有使用WLED背光的空间。
CCFL虽然需要较高的驱动电压与交流电压才能运作，但也较无WLED背光在大尺寸运用时的光均问题与散热问题，且价格较低。

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