液晶显示(LCD)原理及优化设计.doc

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1、学科代码： 071201 学 号： 110802010006 贵 州 师 范 大 学（本 科） 毕 业 论 文题 目：液晶显示（LCD）研究与设计学 院：物理与电子科学学院专 业：电子信息科学与技术年 级：2011级姓 名：甘勇艺 指导教师：阮方鸣（博士） 完成时间：2015年4月17日 目 录摘 要3ABSTRACT 3第一章 概述41.1平板显示简介41.2.液晶显示现状41.3液晶显示发展趋势5第二章 PCBI成像原理72.1液晶分子特性72.2成像单元7第三章.侧入式背光模组83.1光反射膜932扩散膜93.3增亮膜83.4发光二极管（LED）光源103.5导光板113.5.1 光学理

2、论基础113.5.2光度学12第四章液晶显示的若干优化设计124.1导光板的网点优化124.2提高光能利用率144.2.1系统光能损失分析144.2.2提高光能利用率措施144.3大尺寸 LED 背光模块驱动154.3.1 LED 背光模块驱动设计总体方案154.3.2 LED 驱动电路设计164.3.3 LED 驱动电路电源部分设计174.3.4 驱动电路测试及结果分析18总结与展望18致谢19参考文献 20液晶显示(LCD)研究与设计摘 要 液晶显示是基于液晶的光电效应，液晶分子在不同的电压下有不同状态，由电场约束光线的通过量来控制屏幕的亮度，然后经过彩色滤光片过滤生成具有不同灰阶和各种不

3、同颜色的画面，最后达到我们想要的彩色显示。但是，液晶显示面板(PCBI) 是一种被动型显示技术，即其自身是不能主动发光的，必须经过背光模组来提供发光源。PCBI的背后紧贴着背光模组用以照亮灰暗的画面。背光模组可以说是将许多个发光二极管(LED)的近似点光源整齐有序地排成一列成为线光源，线光源经过导光板的作用转换为面光源。所以作为能直接影响侧光式背光模组光学属性的导光板显得尤为重要，有很大的研究意义。本文在深入探究其成像原理的基础上提出了若干优化设计。 关键词：液晶分子、电场、LED光源、导光板、背光模组ABSTRACT The liquid crystal display is based o

4、n the photoelectric effect of the liquid crystal，The Liquid crystal molecules in the different states have different voltages, by the electric field to control the amounr of light to control the screen. Then through different color filters to produce color grayscale and colcr images. In the end,achi

5、eve color display. But the PCBI is a passive display technology,that itself is not active luminous,must be provided by the backlight illumination source. Behind PCBs close to the backlight to illuminate the gloomy picture. Backlight can be said to be a lot of light-emitting diode (LED) of the approx

6、imate point source neat and orderly arranged in a linear light source becomes, Line source through a light guide plate is converted into a surface light source. Therefore, as can directly affect the optical properties of edge-lit backlight light guide is particularly important, Significant research.

7、 In this paper, a number of optimization design is proposed based on an in-depth look into the imaging principle.KEYWORDS：The liquid crystal molecules、Electric field、LED light source、The light guide plate、Backlight1.1平板显示简介 平板显示的出现，是顺应时代的发展，迎合年轻人审美观的必然结果。平板显示的出现，颠覆了传统的大体积、大功耗的显示时代。平板显示的出现，是符合人们审美观的，

8、以至于它能以迅猛的方式发展，呈现各种技术并立的局面，主要包括：液晶显示(LCD)、等离子显示(PDP)、发光二极管显示(LED)、有机发光二极管显示(OLED)、等等。其中，液晶显示、离子显示、有机发光二极管显示是现在以及未来一段时间内的三大主流技术。 近年来，平板显示市场份额不断扩大，平板电视在市场上已经成为彩电行业的主流，这充分说明了平板电视基本取代了原来的CRT。随着人们对平板化的高清TV、电脑、移动电话等电子产品消费需求的加大，这种需求成为了促进平板技术发展的动力。所以，它和传统的CCFL对比还是有很大的优势的，主要体现在如下几方面：（图1-1 LED 背光与CCFL背光主要参数对比）

9、1.2液晶显示现状分析目前，液晶显示器件基本上取得了全面的发展，带动其他零碎产业的发展，成为平板显示市场的主流 。因其符合国家节能、环保、寿命长等标准，使其发展领域覆盖面非常广阔，从小尺寸的MP3到大尺寸的家用电视机，无不有它的身影。人们在社会活动、生产、科研、生活等过程中都需要获得大量的信息,人们对信息的传递、获取、处理的需要量不断在增加。不言而喻，我们平时的信息来源大部分来源于视觉。因为视觉信息不仅量大,而且及时、可靠。所以人们早就重视发展显示技术,付出了很大的代价。 历经多年的努力，中国LCD产业也有属于自己的春天，LCD从无到有，从无源进入有源，如今已成为世界最大材料供应商之一。目前在

10、中国大陆与LCD产业相关的生产厂商、科研院所大约有180家，主要分布在东部远海，如长江三角洲、珠江三角洲等。（图：液晶显示屏的整体结构）13 液晶显示发展趋势 1） 高亮度高对比度 理论上来说亮度越高，对比度越高，画面显示的层次就越丰富，图像就越清晰，适应的环境也越广泛，这也是判断显示器好坏的一个指标。再有更换高亮高效的光源也是提升整体亮度的一个手段。由于液晶本身特性的影响，不比主动发光类型的显示技术，黑态下可以做到“全黑”，即光源彻底关断漏光几乎消除，使得在白态下最高亮度虽然不高，对比度也会很高，达几千比一以上。2） 大尺寸 大尺寸给人一种更逼真的画面重现，更生动的体验乐趣，显示器的尺寸在在

11、顺应人们的要求变得越来越大，显示面积一次一次地被刷新。随着面板加工技术的大幅提升，半导体工艺愈发精湛，大尺寸变为可能，各方液晶厂商都在努力建设高时代产线，现在最大的为日本夏普公司十代线，幅宽可达三米。新世纪产线不仅能产出更大尺寸的面板，对于小尺寸面板的切割方面也更加合理，产量和质量大幅度提升，并且工艺也代表一个新的高度，能产出更优质的产品，大尺寸面板仍是未来发展方向。3 ）高分辨率 像素点的密度越高，图像显示就越清晰越光滑，如乐视TV退出4K神器以来，其他厂商的液晶工艺水平也在不断提升，像素也越做越小，未来出现照片级别的图像将不是梦。还有，低温多晶硅技术的出现对高分辨率带来新的手段，其电子迁移

12、率高，有源矩阵可以作小，不仅提高像素开口率，也提高了像素密度。4） 低功耗 绿色环保作为现下最为时尚的名词，液晶也要紧赶时尚的步伐。由于LED发光是冷光源，光能转换率高，不像其他光源在发光的同时还要发热，一般的液晶显示是场效应型的，工作电流极小，虽然电压较高，但可以说功耗方面有先天优势，远远强于PDP这类高耗型的显示技术。可相较OLED显示、LED显示等来说存在一定劣势，主要在于其必须使用背光源，而不如主动型发光器件几乎只在显示时才耗电，尤其在不要求高亮度或全屏显示时，总功耗会大大降低。而配合LED的动态背光等新技术的应用，使得部分背光源得到休息，无疑使得功耗能进一步降低。 5） 快速响应 作

13、为分子级别的液晶显示，在响应速度方面却不及OLED、PDP等，液晶响应只有毫秒级，远远慢于电子级别的显示技术的微秒级，所以在动态画面显示时，高速移动图像就有可能出现“拖尾”、“重影”等现象。提高其速度的方法也层出不穷，提高工艺减小液晶盒厚度，开发新型液晶材料等等，能从十几毫秒缩短到几毫秒，已基本满足应用要求，当然为达到更加完美的动态显示效果，响应速度必须进一步提高。6 )广视角 广视角，即画面的可视范围，一般从正面观视清晰度最高，越往两边越模糊或是图像失真。说到视角，液晶显示是不如OLED、PDP等主动发光型显示的，TN型液晶显示，由于液晶分子的排列方向以及使用的各层膜材如偏光片等，视角大小和

14、最佳视角方向都不好，为此，先后提出的VA模式、IPS模式、膜补偿方式等改善方法，都起到很好的效果，实现160。以上的视角已不成问题。二. PCBI成像原理2.1液晶分子特性 液晶显示原理完全依赖液晶分子的电光效应，液晶分子可以看作类似棒状的条形结构，是一种介于液体与晶体之间的特殊的有机化合物，同时具有液体的流动性和晶体的光学、电学等特性。本身对电磁场比较敏感，实用价值极大，但是受温度限制，较高会破坏晶体结构。液晶条形分子的排列顺序会在加电压状态下改变，随着电压值的不同，排列状态也随之改变。当条形的液晶分子与光平行时阻挡面最小，几乎所有的光都能通过，当条形的液晶分子与光垂直时阻挡面达到最大，此时

15、光的通过量最小，适当控制电压值就可以控制不同的光通过量。使整个平面上部分光透过而另一部分光不透过，再辅以彩色滤光片的配色产生不同灰度层次颜色的图像，从而达到彩色显示的目的。 （图：液晶分子在不同电压下的变化）2.2成像单元 彩色滤光片(Color Filter)，彩色滤光片是由红(R)、绿(G)、蓝(B)三种颜色即三基色构成的。把RGB三种颜色，分成相互独立又彼此靠近的三个点各自拥有不同的灰阶变化，然后把临近的三个RGB显示的点，当作一个显示的基本单位，也就是我们平常说的像素(pixel)。每一个像素由三种颜色的单元所组成，通过对这三种颜色的单元进行控制就可以调配出成千上万种不同的颜色。多数平

16、面显示器就是利用这个原理来显示色彩。 液晶显示屏幕结构可以形象地比作成三明治结构，在两片玻璃之间夹有液晶分子材料。在加入液晶的过程是一个相当有难度的过程，倒入液晶的过程中会尽量保持液晶棒状分子的长轴大致平行，从下到上包含背光源、下偏光片、TFT array驱动阵列、液晶层、彩色滤光膜、上偏光片，其中在驱动IC连接在TFTarray基板上。动电路对某个像素位置加上电压，该像素区域的液晶分子就会失去旋光特性，线偏振光在通过液晶时偏振状态将不会改变，还是保持遇上偏光片的偏振方向垂直的状态，因此光将上偏光片挡住，此显示状态为暗态。这正是薄膜晶体管液晶显示的基本原理，虽然根据液晶显示模式不同，显示原理会

17、有差异，但是基本原理不变，是以液晶的电光效应为基础的。 （图：显示屏外观） （图：放大的像素点）三 侧光式背光模组 侧光式背光模组的结构和直下式的有所区别，比直下式背光模组多出一个导光板，少一个扩散板，因为导光板自身是硬质材料，不需要另外加其他结构用来支撑（直下式则需要若干个支架支撑），且扩散效果可由扩散膜顶替，简单来看就是直下式的空气腔被导光板填充，光源从导光板侧边导入，自然而然也担当着混光的角色。光源只需在导光板的一边即可，其工作原理是光源发出的线光从侧端面进入导光板，由于全反射原理不断向前推进，接触到导光板表面微机构就会根据光散乱原理发生散射从上表面射出，形成垂直的均匀平面光。导光板也不

18、同于直下式背光模组的空气腔有压缩极限，它的厚度完全可以做到很小，所以其占用的空间小，使背光模组做到很薄，进而做出超薄液晶显示终端，这也是侧光式背光模组的优势所在。另外一个优势，侧光式背光模组可以大大降低光源的数量，进而降低生产成本，减小发光功耗，在大尺寸方面尤为突出。（图：背光模组）31 光反射膜 反射膜是白色镀银或镀的薄膜片，厚度在01mm02mm之间，厚度相当薄反射率又极高的材料，反射率通常都会达到95，某些镀银发射膜甚至可以高达99。反射膜一般安放在背光模组最底层，作用是收集从底部漏出的光，将其反射回系统中去，这是提高光能利用率的关键步骤。3.2 扩散膜 扩散膜基本上会是出射光接触到的第

19、一层膜材，对于直下式背光模组，直接放置于距光源有一定距离的上方，对于侧光式背光模组，直接放在导光板上方，其主要功能就是对光线做散射处理，达到雾化效果。侧光式背光模组中有导光板，则会用较薄的扩散膜，注重高雾度的特性。扩散膜的制作方法主要是在基板材料中加入纳米级的化学颗粒，譬如硅或二氧化硅颗粒作为散射粒子，以此用来模糊出射光形成的亮度不均；还有利用莫尔条纹现象和光学成像原理制作的，设计思路与一般成像系统的思路背道而驰，即不是使像差降到最小从而得到最高的成像品质，而是专门使用不同光学组件交叠后形成的莫尔条纹现象产生新光学组件，相应的增加像差程度，利用像差所具有的模糊影像特征来达到雾化的效果。3.3增

20、亮膜 经扩散膜出射的光线基本上会被打散，在各个方向上亮度一致，按照我们平时欣赏画面影像的习惯一般都是从正面观看显示屏，这样，向上方和下方出射的光线对于我们来说是，所以增亮膜就是为了提高光能利用率，减少不必要的损失。棱镜片，是增亮膜中的一种，最主要的功能就是将光线集中到法线上来，增加正面亮度。它是由排布有规律且结构相同的棱形阵列组成，棱形微结构一般是三角形，顶角约为80度，间距在l0mm以下，利用光的全反射原理达到增亮目的。光在射入棱形结构时，因为材料和空气之间的折射率差产生全反射，让角度过大的光线又反射回去可以被再次利用，最后的出射光角度大概集中在70度左右。34 LED光源 背光模组作为液晶

21、显示器的背光源，所有结构组件各司其职，都为了能有更好地光学品质而发挥着各自的本领，发光源就为背光模组提供了光的直接来源，从另一个角度来说没有光源的背光模组就不是背光模组，液晶显示器将更是无法工作。背光模组所用的发光源主要有两种：冷阴极荧光灯管(CCFL)和发光二极管（LED)34.1 LED发光原理 发光二极管材料是由-族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN 结。因此它具有一般P-N 结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N 区注入P 区，空穴由P 区注入N 区。进

22、入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，如下图所示。（图:PN结发光示意图） 发光二极管，其实就是一种半导体二极管，但它能将电能大部分转换成光能，这也是平板显示低功耗的原因之一。它的基本结构相对简单，将发光半导体材料做成内芯，再用树脂等材料密封保护起来即可，寿命长、相应的抗震性能也很好。发光的颜色与自身半导体材料有关，不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态是不同的，当电子和空穴复合时释放出的能量越多，LED发出的光的波长越短，光的能量越高。所有的LED不管什么材料几乎都是发单色光，要想直接发复合光是不太容易的，然而复合光的应用范围并不比单色光小，尤其是白光，所以

23、复合光LED也是较重要的技术，原理就是以混色理论为基础，依靠同色异谱理论，将几种单色光复合成所需颜色。 3.5导光板 导光板的明显作用是将线光源转换成面光源，均匀地从屏幕的正面射出。侧入式背光模组完成线光源或点光源到面光源的转换就是依靠导光板实现的，可以说导光板在整个侧入式背光模组中起着举足轻重的作用，它的设计与改进自然是侧入式背光模组光学设计的重点。导光板的材料为PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯），是一种有机玻璃，俗名亚克力，具有高透光性，质量轻，高机械强度，易于加工等特点，折射率在1.48-1.52之间。正是利用它与空气的折射率之差，使得光在导光板中会产生全反射，使光不断向前推移。如果没有其他限

24、制结构，光会从侧边进入后发生全反射一直向前传播而不会从正面射出。当适当加以破坏全反射的条件，就可以实现光从正面出射的效果。3.5.1光学理论基础反射和折射定律反射和折射现象是光在传播中遇到不同介质的界面时发生的最基本现象，即一部分光反射回同一介质，一部分光穿过界面进入另一介质，反射定律是说反射光线和入射光线在同一平面内，分别位于法线的两侧，反射角与入射角相等散射理论我们现在考虑一束光，而不是单根的光线。若传播过程发生在均匀介质中则光会按照直线方向一直传播下去，但当介质不均匀，比如介质中有微粒，则部分光就会偏离原来方向向四周射去，即发生了散射现象。像夜晚我们打开手电筒可以看见光柱，还有一束光通过

25、稀释后的牛奶后为粉红色，而从侧面和上面看却是浅蓝色等等都是由于光的散射造成的。 光度学 前面主要是对光传播方向的研究，无法表现出有关光能量的信息。在光学系统中，光的传播重要的还是光能的传导，所以对光能量的度量化对表征一个光学系统十分重要。光度学和辐射度学都可以用来计量光能，其中光度学与人眼有关，它研究人眼感知的光强弱，所以我们显示领域多用光度学概念，毕竟显示器的画面影像是供人欣赏的。辐射度量是客观物理量，但波长不同而量值相同的辐射度量引起的人眼的视觉是不同的，即我们能相当精确地判断两种颜色的光亮暗感觉是否相同，这种差异辐射度量无法描述。光度学则是以人的视觉为基础，对光辐射进行测量的科学，光度量

26、体现了人眼的视觉特性，所以光度学概念都是建立在可见光范围内的。四. 液晶显示的若干优化设计4.1.1导光板的网点优化导光板光学设计导光板技术影响整个背光模组的光学性能，重点都在它的光学设计上面，它可以说是一项复杂而又很有挑战的工程，国内外的学者和工程师们都在做各种不同的努力。由于光自身独特的性质，依据使用的不同光学理论可分为几何光学和波动光学两种设计思路，其中依据几何光学设计的导光板是现在的主流，包括扩散网点分布、微结构、材料扩散方式等，而采用波动光学理论制作的导光板由于其特殊性，将会是导光板技术发展的一个方向，这方面国外研究的比较多。如前面论述的，表面微结构是导光板中将线光源或近似点光源转换

27、成面光源的主要部分，本论文工作是基于油墨印刷式导光板开展的，则其中扩散网点设计的研究是重点。网点的分布理论主要分为规则的网点分布和不规则的网点分布。其中，规则的网点分布设计简单，网点分布很有规律，正是这种有规则的网点分布图案，在随着显示器的大型化，就会与液晶盒内数据线和栅极引线两个规则性的图案产生干涉，影响显示质量。为了克服这种规则图案相互干涉产生的莫尔条纹带来的视觉模糊等问题，新的网点分布理论应运而生。 侧边式背光模组的设计则主要在于导光板，利用这一部件将侧面的光有效地从其上表面出射，再利用扩算膜和增光膜达到最终的效果。导光板的设计主要是将其底面作合理的微结构分布，使光线散射、折射和反射，以

28、达到整个板面的亮度均匀。鉴于国内现有的加工工艺和生产能力，对于小尺寸的导光板，现底面多采用网点式加工，因此网点设计就成了整个背光模组设计中的关键一环。4.1.2导光板一体化结构 导光板经过不断的改进，逐渐向薄型化、轻量化和集成化的方向过渡。目前广泛使用的导光板一般只有一面有微结构设计，而另一面则是平面结构。为了更好的传导光线，精简背光模组结构减少光学膜层的数量，可以对导光板的上下表面同时进行加工。一般方法是在一个平面上加工网点结构进行光的传导，而另一个平面上加工线状浮雕结构进行拢光和增亮。这种一体化的导光板设计优点是可以将棱镜膜的功能整合到导光板之中，不仅减小了背光模组的厚度、简化构造，而且可

29、以减少外购组件、降低生产成本、缩短组装时间，同时达到高亮度化及低成本的目的。上述一体化结构各自有其导光特点，但主要作用是一致的，都是为了改变光线的传播方向。通过改变参数，可以把水平入射的LED点光源变成向上发射的均匀分布的面光源。4.1.3网点布置合理化通过控制网点的半径和间隔均可以调整其密度，达到最终的亮度均匀。散射点为球冠状，高度设为h，球半径为R；坐标沿板面长度方向为x，宽度方向为Y，居中心位置，x方向的点的间距为s)，Y方向间距为sy，先确定网点的半径r，它与球半径R之间的关系满足r+（R-h）=Rr=（2Rh-h）4.2提高光能利用率的方法4.2.1液晶显示系统光能量损失分析(一)偏

30、光片的吸收损耗 为了让液晶能有效地控制光能的透过率从而显示图像，在其下方必须有一个偏光片，偏光片只允许某一特定方向的偏振光通过，而把另一方向的偏振光吸收。同时考虑到偏光片的吸收特性和工艺缺陷，大约只有40的光能通过这一层。(二)光在导光板中的利用率 导光板的主要作用是将点光源或线光源转换为面光源，出射光不但亮度要达到要求，还要有比较好的均匀性。在导光板内，利用光的多次反射和折射使光线近似均匀的从上表面射出，所以大多数光线在导光板内部的行程都非常长，而且多次与导光板界面发生作用，吸收、反射及折射损失都不可避免，同时，多次的折射和反射还会导致偏振光的偏振性下降，影响以后对光的利用。最终，约有60的

31、光可以通过导光板射出。(三)彩色滤光片造成的损失 彩色滤光片(Color Filter简称CF)是LCD彩色化的关键零组件，也是面板关键零组件中占生产成本比重最高的部分。对于三基色(红、绿、蓝)滤光片，各区域分别只允许红色波段、绿色波段、蓝色波段之中的一种光通过，而其他两种光则不能通过，即只有三分之一的光能够继续利用。显而易见，一块分辨率为1280x 1024的面板，实际拥有38401024个晶体管及子像素。由于要在空间上依赖更多的像素来实现颜色的表达，因此彩色滤光片技术牺牲了显示屏的空间分辨率，一块实际上有38401024像素的液晶显示器，只有12801024的分辨牢。4.2.2提高光能利用

32、率的措施偏振分光重利用：由导光板出射的光包含两种极化方向：P偏光和S偏光。而在这两种偏振光中，只有P偏光能通过液晶显示器，S偏光则不能，造成近一半的光无法被利用。偏光转换是利用一定的结构，先将自然光分解成P偏光及S偏光，再将S偏光通过某种方法转换成P偏光，重新进行利用。经过转换后，原先被拦截掉的S偏光也能够进入导光板，从而提高了对光能的利用率。自然光经过偏振分光棱镜(PBS)后被分成P偏光和S偏光，其中P偏光进入背光模组的下一光学元件进行利用，而S偏光则经过液晶光阀进行偏振态的转换后变为P偏光，同样进入背光模组的下一光学元件进行利用。4.3 大尺寸 LED 背光模块驱动4.3.1 LED 背光

33、模块驱动设计总体方案 LED 驱动电路整体设计方案如图所示。整个大尺寸 LED 背光模块系统由220V 交流电压供电,而驱动 LED 需要使用直流电,因此要经过变压、整流、滤波电路,将交流电转换为所需的直流电,最后直流电经过 LED 驱动电路来驱动 LED。（图：4-1 LED 驱动电路整体设计方案）LED 实际上是一个电流驱动的低电压单向导电器件,给 LED 供电的电源必须注意以下事项: (1) LED 是单向导电器件,因此需要用直流电流或单向脉冲电流给 LED 供电。 (2) LED 是一个具有 PN 结结构的半导体器件,具有势垒电势,这就形成了导通门限电压,加在 LED 上的电压超过这个

34、门限电压时 LED 才会充分导通。LED 的门限电压一般在 2.5V 以上,正常工作时的管压降为 34V。 (3) LED 的 I-V 特性是非线性的,流过 LED 的电流在数值上等于供电电源的电动势减去 LED 的势垒电势后再除以回路的总电阻(电源内阻、引线电阻和 LED 体电阻之和)。因此,流过 LED 的电流和加在 LED 两端的电压不成正比。 (4) LED 的 PN 结的温度系数为负,温度升高时 LED 的势垒电势降低。由于这个特点,所以 LED 不能直接用电压源供电,必须采用限流措施,否则随着 LED 工作时温度的升高,电流会越来越大,以至损坏 LED。 (5) 流过 LED 的电

35、流和 LED 的光通量的比值也是非线性的。LED 的光通量随着流过 LED 的电流的增加而增加,但不成正比,越到后来光通量增加得越少。因此,应该使 LED 在一个发光效率比较高的电流值下工作。 因此,LED 驱动电路应具有直流控制、高效率、PWM 调光、过压保护、负载断开、小尺寸以及简便易用等特点。4.3.2 LED 驱动电路设计 在直流变换器中有几种常用的基本变换器拓扑,它们是 BUCK 型、BOOST 型、BUCK-BOOST 型,此外还有 SEPIC 型和 ZETA 型等变换器。BUCK 降压型变换器可以在提供恒定电流的情况下保证很高的效率,能提供范围很宽的输入电压和输出电压,而且设计反

36、馈控制电路也相对简单。BUCK 型变换器可以很容易的使工作效率超过 90%,非常适合驱动高亮 LED。 准备选用 HV9911 来设计 BUCK 型电压变换电路来驱动串联大功率 LED。 HV9911 是 Supertex 公司生产的第二代高电压 LED 驱动芯片,它是闭合环路的开关模式 LED 驱动器,并有一个负载调节运算跨导放大器,用于闭环控制输出电流,对PWM 调光有良好的暂态反应。HV9911 包含了 9V250VDC 输入电压稳压器,不需要额外电源,仅由单一输入电压提供 IC 工作电源。同时内建了 2%精密参考电压(全温度范围),能精确地控制 LED 串联电流,并包含了断路用的 FE

37、T 驱动电路。当输出短路或过电压时,便会自动断开 LED 串对地的路径,此功能缩短了控制电路的反应时间。（图4-2: HV991内部结构）图 3-4 所示为利用 HV9911 设计的 BUCK 型 LED 驱动电路。电路中 J1A、J1B为电压输入引脚,输入电压范围 130V250VDC。J2A、J2B 为输出引脚,输出电压范围 20V100VDC,输出电流 350mA,电流波动5%,可驱动 25 个功率为 1W 的LED。J3A 为同步信号引脚,用于多个驱动电路之间的同步,开关频率 150kHz。因为此电路为降压型电路,所以电路只提供了过流保护电路,而不提供过压保护电路 。驱动电路可通过两种

38、途径调节 LED 亮度: (1) 在亮度调节幅度不是很大的情况下,采用 PWM 调光,即从 J3C 脚输入 PWM信号,调节 HV9911 输出电流占空比; (2) 在亮度调节幅度比较大的情况下,采用模拟调光,即通过调节 J3B 引脚上的电压,改变 HV9911 输出电流的峰值。 （图4-3: HV9911 组成的大功率 LED 驱动电路）4.3.3 LED 驱动电路电源部分设计 HV9911 工作电压为 130V250DC,因此先使用变压器将市电交流 220V 降压至交流 110V,再通过整流滤波电路,将 110V 交流电压变为 150V 左右的直流电压。整个背光模块所用 LED 功率耗散一

39、共 400W,因此采用的变压器功率为 500W。LED驱动电源部分原理图如图 4-4 所示（ 图4-4: LED 驱动电路电源部分）4.3.4 驱动电路测试及结果分析(1) 输出电压与输出电流关系 LED 驱动电路应具有恒流特性,即当负载阻值改变时,LED 驱动电路输出电流应维持恒定。此部分就对 LED 驱动电路的恒流特性进行测试。 测试条件:输入电压为直流 150V,设定输出电流峰值为 350mA,PWM 信号占空比为 100%。负载使用蓝光 LED,当电流为 350mA 时,单个 LED 电压约为 3.5V 。测试中,最初使用 7 个蓝光 LED 作为负载,每次增加 3 个 LED,最终驱

40、动电路驱动 25 个蓝光 LED。记录每次测量中 LED 两端电压以及相应流过 LED 的电流。测试结果绘制成曲线如图 3-7 所示。由图可见,当输出电压在 20V90V 之间变化时,流过 LED 的电流维持在 350mA,起到了恒流驱动的效果,达到了设计目标。(2) VIREF 与输出电流峰值关系 当改变 HV9911 的 IREF引脚电压时,LED 恒流驱动电路输出电流幅值应随之发生改变,即驱动电路的模拟调光功能。 测试条件:输入电压为直流 150V,PWMD 占空比为 100%,负载使用 25 个蓝光 LED。 测试中改变 IREF 引脚电压,记录此时流过 LED 的电流大小。测试结果如

41、图 3-8所示,输出电流峰值与 IREF引脚电压基本成正比例关系,实现了 LED 驱动电路的模拟调光功能。总结与展望：写这篇论文的动机的缘由来自我的实习内容，实习的过程基本把液晶显示板的内部结构有一个大致的了解，对我理解它的工作原理及优化设计有很大的帮助和启发。液晶平板显示看似简单，但是它内部组成元件繁杂，综合了很多光电学等物理知识，每一个元部件从诞生到改进都蕴含着的人类智慧的结晶。液晶面板显示图画的过程是错综复杂的，每一个环节的偏差都可能逐级放大，造成最终的画质严重下降。研发工程师们一直在致力于研发出最完美画质的显示板，让人们享受高清晰、超逼真的动感画面。 本文主要围绕目前主流的液晶电机视的

42、显示原理，重点介绍了LED发光源驱动设计，侧入式背光模组的组成结构，导光板网孔布局合理化，以及提高光能利用率的若干措施。自LED技术发展以来，它的应用日益广泛，已经成为人们生活重要的组成部分，小到手电筒的照明、电脑的显示，大到航空行业，无不有它的发展空间。随着新技术的不断向前推进，未来的液晶显示技术还会在其他领域发挥更多的优势，给人们带来更舒适的生活空间。 五. 致谢 在这段时间里，我的收获是多方面的。首先是学业上的进步和自身知识结构的重构，自己的知识运用能力、查阅资料能力和分析解决问题能力等都有很大提高。在论文完成的过程中，除了我自己一个多月来的潜心学习和研究之外，也凝聚了其他人的心血，是他

43、们在背后默默支撑着我。所以在这里，我要对帮助过我完成论文的人表示衷心地感谢。 首先，我要对我的论文指导老师阮方鸣教授表示我最由衷的感谢。阮教授勇攀科学高峰、多年来潜心研究、孜孜以求的精神，深深地感染着我、鼓励着我。由他作我的指导老师是我莫大的荣幸。感谢他给予我有用的参考资料。 感谢物理与电子科学学院授课的各位老师，正是由于他们的传道、授业、解惑，让我学到了专业知识，并从他们身上学到了如何求知治学、如何为人处事的道理。特别是辅导员老师，为了能让我们每一位毕业生顺利毕业操心劳肺。 感谢我的最好的兄弟给予我的帮助，他们为我撰写论文提供了不少建议和帮助，大家一起学习，一起玩耍，共同进步，生活上是我心灵

44、的寄托，学习上是我的好帮手。因为有他们，大四很精彩。 甘勇艺2015年4月于贵州师范大学参考文献【1】孙洵平板显示产业的发展现状和前景分析(液晶专题)现代显示200777：4551【2】王新久液晶光学和液晶显示北京科学出版社2006【3】小林骏介下一代液晶显示北京科学出版社2004【4】季旭东平板电视的技术进展光机电信息20035：1115【5】费民权液晶电视技术的发展现状分析液晶与显示200318(5)：379387【6】刘跃LCD、PDP、CRT发展现状及展望稀土信息200410：2123【7】汪晓松场致发射平面显示器的发展及应用前景电视技术20066：39-40【8】洪炯星中国T液晶产业

45、链发展研究【学位论文】上海上海交通大学2009【9】：E晓明，郭伟玲，高国，沈光地LED用于LCD背光源的前景展望现代显示200553：2428【10】雪生用于LCD的LED背光源现代显示200553：3437【11】季旭东新型LCD用LED背光源照明工程学报200415(2)：2327【12】叶逸仁印刷式超薄导光板中国20072014621302008528【13】刘明达，侯仕骑，饶瑞年导光板模仁的制造方法中国20061013652152008430【14】吴桔生，何华，李宏彦导光板散射网点的初步设计现代显示20072【15】陈祥贤，徐平，万丽丽等新型背光系统导光板技术液晶与显示2007(1

46、0)：576582【16】张楠，唐振方，栗万里等光散射聚合物导光板的材料参数设计光散射学报【17】骆健忠，陈哲，张永林，李丰丽，蔡昌侧光平板式导光板散射网点设计及仿真分析液晶与 显示200621(3)【18】翟峰Novel Integrated Light-Guide Plates for Liquid Crystal Display BacklightJournal of Optics20057(3)【19】翟峰High light guide plates that can control the illumination angle based on microprismstructuresApplied Physics Letters200485(24)