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背光源是什么?

背光源(BackLight)是位于液晶显示器(LCD)背后的一种光源,它的发光效果将直接影响到液晶显示模块(LCM)视觉效果。液晶显示器本身并不发光,它显示图形或是它对光线调制的结果。


背光源主要由光源、导光板、光学用模片、结构件组成:


光源:主要有EL、 CCFL及LED三种背光源类型;


导光板:分为印刷、化学蚀刻(Etching)、精密机械刻画法(V-cut)、光微影(Stamper)、内部扩散、热压;


光学用模片:增光膜/片、扩散膜/片、反射片、黑/白胶;


结构件:结构件中有:背板(铁背板、铝背板、塑胶背板)、胶框、灯管架、铝型材、铝基条,其中背板和胶框为必用件,其它的结构件并非完全使用。

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工作原理

液晶显示是被动发光元件,显示屏本身并不发光,而是由其下方的背光系统照亮的。背光源和液晶显示屏组合在一起构成了液晶显示模块。图2为液晶显示器的背光源常见的结构。液晶背光是一个平面的均匀照明装置,作为光源的冷阴极荧光灯管或LED灯条排列在整个背光源的两边或一边(可能是长边,也可能是短边)。冷阴极灯管是线光源,LED是点光源,把此光源转换为面光源需要使用导光板。导光板一般由高透光率的亚克力塑料制成,表面非常光滑平整,以致于大部分内部光线会在其平整表面上规则的全反射,而不会射出到导光板外部。液晶显示器的导光板的底部印有白色的网点。在导光板印有网点的位置上,光线不再规则的全反射而是会向导光板上方射出。控制每个位置网点的密度就可以控制导光板在这个位置射出光线的多少。精密设计的导光板网点可以让两侧入射的光线均匀的铺散在整个平面上。导光板上方会再放置光学膜片,这些膜片起到均匀光线,并且汇聚大角度光供正面观察等作用。

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图2 LCD结构示意图


光源、导光板、反射片、光学膜片构成了液晶显示器的背光源。其发出的光线照射到液晶面板上时,光线会先通过下偏振片向上透出,不同的液晶面板这个时候会按照自己的机理将光线转变偏振方向。接下来光线接触到彩色滤光片产生颜色,最后入射到上偏振片。在被液晶转变偏振方向后,有部分光线可以出射,有部分会被吸收。整个液晶面板上每一个像素都可以分别决定出射光线的强度。从而产生图像。



应用

背光模组为液晶显示器面板的关键零组件之一。功能在于供应充足的亮度与分布均匀的光源,使其能正常显示影像。


随着液晶显示技术的不断发展,液晶显示器特别是彩色液晶显示器的应用领域也在不断拓宽。受液晶显示器的市场拉动,背光源产业,呈现一派繁荣景象。 LCD为非发光性的显示装置,须要藉助背光源才能达到显示的功能。背光源性能的好坏除了会直接影响LCD显像质量外,背光源的成本占LCD模块的30-50%,所消耗的电力更占模块的75%,可说是LCD模块中相当重要的零组件。高精细、大尺寸的LCD,必须有高性能的背光技术与之配合,因此当LCD产业努力开拓新应用领域的同时,背光技术的高性能化(如高亮度化、低成本化、低耗电化、轻薄化等)亦扮演着幕后功臣的角色。



分类

1.根据光源分类


背光源目前主要有EL、 CCFL及LED三种背光源类型。


①EL背光源


电致发光(EL)背光源体薄量轻,提供的光线均匀一致。它的功耗很低,要求的工作电压为80~100Vac,提供工作电压的逆变器可把5/12/24Vdc的输入变换为交流输出。但EL背光源的使用寿命有限(在50%亮度条件下的平均使用寿命为3000~5000小时,在更高的亮度水平上使用寿命将大为缩短)。因此,理想的EL背面照明用逆变器允许输出电压和频率随着EL灯泡的老化而增加,从而延长采用EL的背面照明光源的显示器的有效使用寿命。


EL背面照明对于像手表、数字台式钟和单色PDA等需要极度微弱的照明以便在光线朦胧或昏暗条件下使用的小型反射式LCD应用而言是较为适用的。然而,低效率、低亮度以及短寿命使其不适用于诸如膝上型电脑和平板桌上型监视器所要求的大型LCD这样的透射型背面照明用途。


②ccfl背光源


ccfl即冷阴极荧光灯,是一种气体放电发光器件,其构造类似常用的日光灯,通过连接插头与高压板相连。CCFL具有灯管细小、结构简单、表面温升小、表面亮度高、易加工成各种形状(直管形、L形、U形、环形等),使用寿命长、显色性好、发光均匀等优点,所以,CCFL是曾经液晶屏最为理想的背光源。


③LED背光源


LED背光源是指用LED(发光二极管)来作为液晶显示屏的背光源。和传统的CCFL(冷阴极管)背光源相比,LED具有低功耗、低发热量、亮度高、寿命长等特点,有望近年彻底取代传统背光系统。



2、根据光源分布分类


依光源分布位置不同则分为侧光式、直下式(底背光式)和中空型。随着LCD模组不断向更亮、更轻、更薄方向发展,侧光式CCFL式背光源成为背光源发展的主流。


①侧光式


发光源(Edge lighting)为摆在侧边之单支光源,导光板采射出成型无印刷式设计,一般常用于30寸以下中小尺寸的背光模组,其侧边入射的光源设计,拥有轻量、薄型、窄框化、低耗电的特色,亦为手机、平板电脑 、笔记型电脑的光源,亦有大尺寸电视背光模组采用侧光式结构。


②直下型


直下型(Bottom lighting)超大尺寸的背光模组,侧光式结构已经无法在重量、消费电力及亮度上占有优势,因此不含导光板且光源放置于正下方的直下型结构便被发展出来。光源由自发性光源(例如灯管、LED等)射出藉由反射板反射后,向上经扩散板均匀分散后于正面射出,因安置空间变大,灯管可依TFT面板大小使用 2至多之灯管,但同时也增加了模组的厚度、重量、耗电量、其优点为高辉度、良好的出光视角、光利用效率高、结构简易化等,因而适用于对可携性及空间要求较不挑剔的LCD 显示器与LCD TV ,其高消费电力(使用冷阴极管),均一性不佳及造成LCD发热等问题仍需要求改善。


③中空型


随着影像要求的尺寸增加,LCD也朝更大尺寸的方向发展,这类超大型的LCD被拿来当作监视器及璧挂式电视,不仅要求大画面、高亮度及轻量化,在电器上亦要求高功率下的低热效应,发展的中空型结构的背光模组,使用热阴极管作为发光源。此结构以空气作为光源传递的媒介,光源向下被棱镜片与反射板对方向调整及反射后,一部分向上穿过导光板并出射于表面,另一部分因全反射再度进入中空腔直到经折反射作用后穿过导光板出射,而向上的光源或直接进入导光板出射,或经一连串折射、反射作用再出射:导光板的形状为楔型结构,目的在求均一化的效果。



选型指南

背光源主要由光源、导光板、光学用模片、结构件组成:


1、光源选择


电致发光(EL)背光源体薄量轻,提供的光线均匀一致。它的功耗很低,要求的工作电压为80~100Vac,提供工作电压的逆变器可把5/12/24Vdc的输入变换为交流输出。但EL背光源的使用寿命有限(在50%亮度条件下的平均使用寿命为3000~5000小时,在更高的亮度水平上使用寿命将大为缩短),因此,理想的EL背面照明用逆变器允许输出电压和频率随着EL灯泡的老化而增加,从而延长采用EL的背面照明光源的显示器的有效使用寿命。


EL背面照明对于像手表、数字台式钟和单色PDA等需要极度微弱的照明以便在光线朦胧或昏暗条件下使用的小型反射式LCD应用而言是较为适用的。然而,低效率、低亮度以及短寿命使其不适用于诸如膝上型电脑和平板桌上型监视器所要求的大型LCD这样的透射型背面照明用途。


小型冷阴极荧光灯(CCFL)提供了用于大型LCD所需的亮度和寿命(以及灯光管制能力),但是随着更高效、设计使用更灵活的LED大量出现,CCFL的使用已经越来越少。但是,热量堆积是一个值得关注的问题。


LED背光源的使用寿命超过5000小时,且使用直流电压。LED背光源与CCFL背光源在结构上基本是一致的,其中主要的区别在于CCFL是线光源,而LED在使用时先要做成LED灯条(LED light-bar),再放入背光中。


2、导光板选择


导光板的作用在于引导光的散射方向,用来提高面板的亮度,并确保面板亮度的均匀性。导光板的良优与否对背光板影响甚大,因此,侧光式背光板中导光板的设计制作是关键技术之一。导光板是利用射出成型的方法将丙烯压制成表面光滑的板块,然后用具有高反射且不吸光的材料,在导光板的底面用网版印刷的方式印上扩散点,CCFL或LED light-bar位于导光板侧边,其发出的光利用反射导入导光板内部,当光线射到扩散点时,反射光会往各个角度扩散,然后将破坏反射条件由导光板正面射出。利用各种疏密、大小不一的扩散点,可使导光板均匀发光。反射板的用途在于将底面露出的光反射回导光板中,用来提高光的使用效率。


导光板按照工艺流程不同又可分为印刷式及非印刷式(射出成型形),印刷式是在压克力平板上用具高反射率且不吸光的材料,在导光板底面用网版印刷印上圆形或方形的扩散点。非印刷式则是利用精密模具使导光板在射出成型时,在丙烯材料中加入少量不同折射率的颗粒状材质,直接形成密布的微小凸点,其作用有如网点。印刷法的效果不如非印刷法。非印刷法效果优异,使用人数少,速度快,效率高,但是技术门槛很高,需要掌握精密射出成型,精密模具,光学等技术才能掌握。目前国内厂商大多仍采用印刷式的导光板作为导光组件,印刷式的导光板具有开发成本低及生产快速的优点,而非印刷式的技术难度较高,但在亮度上表现优异,模具开发技术为瓶颈所在,另外,根据形状可分为平板及楔形板,平板多应用于显示器和电视,楔型板多用于笔记本。至于扩散板及主要用途,在于提高正面的亮度,扩散板的作用在于让光的分布更加均匀使从正面看不到反射点的影子。由于光自扩散板射出后,其光的指向性非常差,必须利用棱镜片来修正光的方向,达到聚光的效果,提高正面的亮度。


另外, 还有蚀刻方式(模仁咬花),即直接将印刷点的设计转移到模具上,取代传统的印刷方式,而在辉度的实际表现上,蚀刻导光板则不如印刷导光板。


切削方式SC加工,即在导光板正面以切削方式制造出一条条长沟型的结构,与棱镜片结构类似的镜面设计,更能增加辉度提高的效果,但在均一性的表现上则不如印刷方式的导光板结构。


喷砂方式,利用细砂材料喷洒于模仁形成粗面分布,在射出成型下直接转移至导光板上时,粗面越多的地方,破坏光源全反射的效果越强,因此可达到光源面的均匀分布。


可见,背光模组的作用无非就是把点光源或线光源发出的光通过漫反射使之成为面光源。但这个背光源大有学问,在搭配不同数量的灯管时其表面的纹理会有不同的变化,背光板的设计涵盖了光学设计、精密模具以及蚀刻、印刷等精密科技。


3、光学膜片选择


在一定的光源输出下,将会通过棱镜膜、反射偏振片和高反射率反射片来提高液晶模组的正视亮度,或称轴向亮度。在不增加光源数量的情况下,要提高轴向亮度有两种途径:一,改善光线的角分布,将光线集中到正视角度上;二,减少损耗,提高总的出光光通量。市场上的增亮膜片的生产商有超过30家之多,比较大的有LG、3M、GE、Sony,罗姆哈斯等等。



故障排除

背光源检修方法


1、检修背光板时要掌握背光灯管的特性、点亮原理和背光板的组成、工作原理。虽然背光板的外形、元件型号组成各不相同,但基本原理是一样的,只要具备了理论基础,就可以分析故障,背光板的故障种类很少也就3-4种,背光板的高压输出及功率放大电路原理简单,多采用全桥/半桥驱动,一般采用MOS管或功率模块。


2、背光板的检修首先要确保电源部分工作正常。即待机电源3.3V或5V,12V,24V ,PFC电路工作正常,才可以检修背光系统的检修


3、检修时可以去掉电源板到主板的排线,把待机电压5V分别与STB(待机控制)BRI(调光)和BL-ON(背光控制)3个脚连接在一起正常时背光板应该是能正常点亮的,这一步可以判断是主板问题还是电源板的问题。


4、如果背光灯管依然一下不亮说明没有脉冲信号加到背光逆变器上。我们检修背光电路时可以把背光系统看作成一个行扫电路来检修


5、背光控制芯片有一个特性,在芯片刚上电时2秒钟左右是不受任何反馈引脚控制保护的,是有输出脉冲的,在启动后得到其检测引脚的正常反馈信号后才会进入正常的工作状态。如果在启动后没有得到反馈信号或是不正常的反馈信号,芯片就会进入保护状态停止输出激励信号


6、利用此特性首先在上电时现检测背光控制IC的脉冲输出脚在上电时有无电压输出,有条件的可以用示波器测该脉冲输出脚的信号波形,也可以用万用表的交流电压档测有无脉冲输出。


我们根据此处的电压值判断故障点是在以背光控制芯片为核心的电路还是在后级电路。(需注意芯片保护后需断电后再启动后才会有2秒钟左右的输出)


7、如果有信号输出,可以判断故障在后级驱动部分。否则故障在背光芯片控制部分。


我们可以测量其后级的激励变压器输出端是否有交流激励信号输出(因为背光电路的工作频率在56KHZ左右超出了我们普通万用表的频率响应所以没有准确的电压值,数字表一般为~30伏左右,机械表在~10伏左右。需强调一点不管电压值为多少2个绕组获得电压值肯定一样,否则就是有问题。


8、当其激励变压器输出脉冲正常后我们就继续向后级一步一步的测量直到找到脉冲的短路点。



案例一:液晶屏幕中某一只背光灯损坏(或断裂)


通常故障现象:机器在开机瞬间可以看到液晶屏幕有启动发光的影像及动作,有时能看到一条暗带,但随之又熄灭,熄灭后,液晶屏对着光线可以看到暗的图像,而其他设备输出声音正常。


此故障分析:可见当某一只或某一部分背光灯管断路时,其对应的灯管断路的检测电路将取样信号送到振荡控制集成电路的背光灯管断路检测输入端,内部保护控制电路经过保护延时后切断激励信号输出。这就是开机瞬间可以看到屏幕有发光现象及反映动作,但随之熄灭的原因是:启动发光时因为其他背光灯管在正动,点亮;随之熄灭时是因该只断路背光灯管对应的保护电路动作保护,背光板被关闭输出造成。


简单处理方法:发现这种开机闪亮一次又熄灭的现象是,要最终确认故障,可将振荡控制IC的背光灯管断路检测输入端(一般是OLP)的电压提高到2V以上,目的是解除背光灯管断路保护控制,也有的IC把此脚电压降低取消保护,其他灯管全部点亮,而这只损坏的背光灯管的区域是略暗的。这是一个应急的维修方法,因为这种情况需要更换液晶屏处理,如果不更换液晶屏就得更换背光灯管,而更换灯管的维修难度高,风险大。此时建议把整个液晶屏的亮度调整到大一些,由于液晶屏内部有导光板,损坏一只灯管对使用效果的影响不是很大。动手能力强的,如果断路的灯管位置在屏幕的中间,请把此灯管调换到屏幕最顶端的位置,这样正常收看时基本看不出。这样做,不会影响到电路安全,可以放心使用


案例二:背光不闪亮,背光板上的保险丝熔断


故障现象分析:保险丝熔断说明背光板有严重的过流、短路(轻度过流一般不会熔断保险丝)已经有元件短路损坏,此时不要贸然换一只保险丝通电开机,否则故障会进一步扩大,甚至影响到整机的其他电路的安全。这种故障是功率放大电路的元件,MOS管或互补MOS模块出现击穿、短路,这是造成这种故障的最主要的原因。


检修此类故障时,应该先仔细观察电路板,特别是MOS管、MOS管驱动模块上有没有颜色变黄、开裂异常情况,一般背光板上有几组相同的驱动电路,可以对比外观发现故障大致部位。这种情况更换同型号的驱动MOS管或驱动MOS模块即可,如果没有形同型号的,可以选择参数基本相同的,特别是导通电阻相近的代换,以保持电桥背臂的平衡。


有时,背光板保险丝熔断,功率模块击穿短路,但功率模块的外表颜色没有任何变化,这是就要用万用表的电阻档进行检测,在背光板不通电的情况下,分别对比检测每只功率模块各脚对地电阻值,如果有明显阻值偏低的那只模块,即可发现其有故障。


其他元件损坏,一般不会引起保险丝的熔断。


处理方法:对于背光不亮、保险丝熔断的背光板,检查到功率模块损坏并更换后,可以通电观察液晶屏的亮度,并注意能够背光板是否有过热、冒烟的现象;否则,还应该检查升压变压器本身是否短路,因为升


案例三:背光不亮,保险丝完好


故障现象分析:这类故障涉及的范围比较大,应该首先检查背光板的供电、控制接口端的直流供电、背光开关信号、以及亮度控制电平是否正常,确认没有问题才考虑对背光板的检修,一般背光板其供电、控制接口等插座上都明确标注了各引脚的作用,逐个脚检测即可判断故障部位,如图:


其次,要确认振荡控制集成电路的VCC供电及使能端(ENA)启动电压、功率放大电路的供电(12V 或24V)是否正常,如果正常就要考虑目前是否处于保护状态,实际维修中,发现背光控制IC损坏的案例,及其少见,多为保护检测电路的问题。


处理方法:在维修背光不亮、保险丝完好的故障时,最有效的判断方法就是解除保护控制功能,这是因为此类故障一般是背光板的某部分有故障,从而启动了保护控制电路,进而切断激励信号的输出,造成无光的现象。


不同型号的振荡控制集成电路,其过压保护 (OVP\CLAMP)的门限电平也略为 不同,一般为2-3V,一般情况下过压保护端为低电平时正常工作,超过门限电平时进入过压保护状态,如果要解除过压保护控制,直接把过压保护端口接地即可。背光灯管断路保护端口OLP,一般是低电平保护,高电平1.5V时正常工作,如果要解除背光灯管断路保护,只要给这个引脚加一个高于起控阀值的电平即可。


注意:在背光板已经通电工作后,不要用万用表或示波器测量其高压输出端,这样会造成 “拉弧”。在用示波器测量时,在高压输出未接背光灯管的情况下,串联谐振输出电路处于开路状态,测得的波形必定不是正弦波。

限于篇幅的限制,深圳液晶模块厂家华之晶LCM工程人员在本文中向大家介绍了背光源(BackLight)。更多产品知识,请浏览本栏目:https://www.sino-lcd.com/new.html

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