制作RGB三基色合成的白光LED中的注意事项.docx

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制作RGB三基色合成的白光LED中的注意事项

制作RGB三基色合成的白光LED中的注意事项

作者：

佚名  来源：

本站整理  发布时间：

2009-5-98:

31:

06  [收藏][评论]

制作RGB三基色合成的白光LED中的注意事项

对于制作RGB三基色合成的白光LED，必须注意以下几个问题：

（1）三种LED芯片发出的光的主波长一般是：

红光为615~620mm，绿光为530~540mm，蓝光为460~470nm。

要达到最佳光效，可在这三种光的主波长范围内经过实验选择最佳的主波长配比。

如果为了提高显色指数，可采用蓝光（460nm）、绿光（525nm）、黄光（580nm）、红光（635nm）组合，这种光的主波长配比可得到最佳的显色指数（达95以上），光效可达35~40lm/W，最低色温可做到2700K。

为了兼顾出光效率和显色指数，三种LED芯片发出的光的主波长和发光强度需要进行优化组合。

根据所用的模式和材料多做几次实验，可得到最佳效果。

（2）对于三种LED红、绿、蓝芯片的发光强度的比例，一般选择为3（红）：

6（绿）：

1（蓝），但是要考虑到不同芯片光衰不一样;而且当点亮发热后，三基色光的主波长漂移也不同。

同时考虑这几个因素，进行综合的实验来得到最好的效果，所以上述的只作为参考的比例，而不是固定的结论。

　　（3）如果将三种LED芯片简单地排列封装在一起，那么这样不能使三种LED的颜色光很好地混合成白光。

图1给出了RGB三色混合的示意图，只有A区是三种颜色都有的区域，所以只有A区才是白光，其他区域都不是白光。

RGB三种芯片发出的光能量主要分布在以光源光轴为中心的一定角度之内，因此不同位置上由不同芯片发出的光要传播一定距离后，才可能发生交叠进而混色。

然而即使在传播一定距离后，仍然只有中心区域才出现白光，也就是说中心区域以外的区域仍然没有混合，并且发散角度比较大的光线在经过传播后远离中心，继而造成发光效率降低。

图1RGB三基色的混合

　　因此，如何在较短传播距离内高效地混光，是封装高质量三基色白光LED的关键所在。

只有通过特殊的封装设计，才能解决这个问题，如图2所示。

采用这种结构后，三种光基本集中在一个区域进行混光，所以在制作三基色合成白光LED时，应该在热沉上和模粒上实现一些特殊的结构设计，从而使三种基色光能在集中的区域混合产生有效的白光。

图2三基色光混合的特殊结构设计

（4）多芯片集中封装在一个器件中，热量的散发会更加困难。

因此在制作RGB三基色光混合成白光时，特别要注意散热的问题。

这三种芯片其温度特性不一样，温度变化会引起色温偏差。

表1对几种主要的白光LED制作效果进行了比较。

表1几种主要的白光LED制作效果

RGBLED背光驱动电路实例

技术分类：

电源技术 |2009-05-12

刘文兴，沈忠德，美国国家半导体公司

　　由于液晶显示器（LCD）本身不会发光原理，用LCD制作的显示屏就一定要用背光产生可视的彩色画面。

一直以来广泛采用的是冷阴极灯管（CCFL），或称之为普通背光源。

随着新型光源LED灯的兴起，越来越多的电子产品LCD背光采用LED。

简单点的是采用白光LED（WLED），质量要求高的采用RGBLED。

WLED是蓝光LED与磷光体结合的产物，转化为红/绿/蓝三色，配比合适的话，就会成为白光，WLED虽然电路简单，但其彩色空间要比RGBLED差很多，基本上与CCFL的色彩空间相当。

但由于LED的高效、长寿命和电路简单，WLED依然比CCFL有较大的优势并且有着广泛的应用领域，如手持便携产品。

　　图1显示了CCFL和RGBLED作背光时所能呈现的色彩空间。

不难看出RGBLED背光的优点，特别是在对于色彩还原要求高的应用产品，如电子像框，全范围的色彩空间尤为重要。

　　另一方面，色彩的校正。

由于RGBLED的固有特征，使我们可以对它进行多方面的控制，这对于产品的后期校正提供了冷暖色调的轻松调整，无需为客户喜好担忧。

　　参考设计简介

　　美国国家半导体公司的LP5520是一款针对小型尺寸的LCDRGBLED背光驱动芯片。

它可以直接驱动4组～5组RGBLED，可以满足一般的小尺寸LCD显示屏的背光驱动要求，如3.2英寸的显示屏。

　　对于中等尺寸的电子像框，一般为7”，通常需要15组以上的RGBLED作为背光。

为了利用LP5520的RGBLED的色差校正功能，又能提高它的驱动能力，我们对它的典型电路作了调整，简单地增加了一片LM5000（也可选择LM2735）DC-DC升压芯片，使整个电路可以驱动15组RGBLED。

电流镜像电路是为了多组RGBLED的驱动电流与LP5520驱动的RGBLED的电流保持一致。

图2是测试电路方框图。

　　LM20是模拟温度传感器。

通过LM20反馈RGBLED的温度给LP5520。

LP5520则根据温度从事先保存在EEPROM里的经过校正过得温度补偿PWM值，分别驱动R、G、BLED，使RGBLED可以发射出纯正的白色光。

　　RGBLED的校准

　　为了获得纯正的白光原色，必须对RGB进行校准。

一个RGBLED只有在它的红、绿、蓝三原色具有适当的强度才能产生白光。

每一个颜色的强度会随着温度产生变化，同时颜色的波长也会随着温度的变化而改变，特别是红光。

为了保持相同的强度，需要非常严格的白平衡进行补偿。

LP5520可以对强度和波长的改变都进行补偿。

　　基于典型的RGBLED强度与温度的关系分别补偿。

在校正过程中，PWM的值决定着颜色的强度，由于每一个LED已经在生产线上调整过，可以忽略器件之间的差异。

因为室温是温度范围的中间，样品在室温时表现最好，随着温度向两端变化，颜色误差也随之增加。

校正系统框图如图3所示。

　　具体的校正步骤如下。

（1）打开芯片的手动模式，设置LED的电流。

每一个颜色的LED的电流可以有差别，实际上就是设定PWM的值。

理论上在最高温度端，PWM的占空比最大。

实际上电流差不要超过50%。

（2）设定第一个温度点（可以测量到的最高温度，稍微超过100℃）。

　　（3）对于蓝色可用默认的强度（如在4096刻度时取1500，取决于RGBLED的种类）。

为有效的利用PWM的范围，在高温端红色的PWM是在0xF00（3840）附近。

然后让软件对所有LED迭代PWM值，直到达到要求的白色为准。

为获得最好的测量精度，调整光学衰减器获得接近满刻度的最高频谱幅度。

　　（4）改变温度到下一个测试点温度（降低5℃）。

依靠迭代PWM值，软件一直保持白平衡。

一旦温室到达设定的温度时保存每一个LED的PWM值。

（采用的最低温度点是稍微低于-40℃，步长为5℃。

采用的温箱从最高温度到最低温度大约需要一个小时）。

　　（5）基于测量到的数值，绘制曲线。

如图4。

　　结论

　　使用内部校正内存，用户在宽温范围内都可以方便地使用LP5520控制RGBLED产生纯正的白光，使LCD显示屏获得最佳的照片还原显示。

同时最终客户也可以根据自己的喜好调整LCD的显示效果，满足特殊要求。

本文所是用的电路应用到7英寸电子像框上，并且获得满意的效果。

RGBLED背光驱动电路实例

技术分类：

电源技术 |2009-05-12

刘文兴，沈忠德，美国国家半导体公司

　　由于液晶显示器（LCD）本身不会发光原理，用LCD制作的显示屏就一定要用背光产生可视的彩色画面。

一直以来广泛采用的是冷阴极灯管（CCFL），或称之为普通背光源。

随着新型光源LED灯的兴起，越来越多的电子产品LCD背光采用LED。

简单点的是采用白光LED（WLED），质量要求高的采用RGBLED。

WLED是蓝光LED与磷光体结合的产物，转化为红/绿/蓝三色，配比合适的话，就会成为白光，WLED虽然电路简单，但其彩色空间要比RGBLED差很多，基本上与CCFL的色彩空间相当。

但由于LED的高效、长寿命和电路简单，WLED依然比CCFL有较大的优势并且有着广泛的应用领域，如手持便携产品。

　　图1显示了CCFL和RGBLED作背光时所能呈现的色彩空间。

不难看出RGBLED背光的优点，特别是在对于色彩还原要求高的应用产品，如电子像框，全范围的色彩空间尤为重要。

　　另一方面，色彩的校正。

由于RGBLED的固有特征，使我们可以对它进行多方面的控制，这对于产品的后期校正提供了冷暖色调的轻松调整，无需为客户喜好担忧。

　　参考设计简介

　　美国国家半导体公司的LP5520是一款针对小型尺寸的LCDRGBLED背光驱动芯片。

它可以直接驱动4组～5组RGBLED，可以满足一般的小尺寸LCD显示屏的背光驱动要求，如3.2英寸的显示屏。

　　对于中等尺寸的电子像框，一般为7”，通常需要15组以上的RGBLED作为背光。

为了利用LP5520的RGBLED的色差校正功能，又能提高它的驱动能力，我们对它的典型电路作了调整，简单地增加了一片LM5000（也可选择LM2735）DC-DC升压芯片，使整个电路可以驱动15组RGBLED。

电流镜像电路是为了多组RGBLED的驱动电流与LP5520驱动的RGBLED的电流保持一致。

图2是测试电路方框图。

　　LM20是模拟温度传感器。

通过LM20反馈RGBLED的温度给LP5520。

LP5520则根据温度从事先保存在EEPROM里的经过校正过得温度补偿PWM值，分别驱动R、G、BLED，使RGBLED可以发射出纯正的白色光。

　　RGBLED的校准

　　为了获得纯正的白光原色，必须对RGB进行校准。

一个RGBLED只有在它的红、绿、蓝三原色具有适当的强度才能产生白光。

每一个颜色的强度会随着温度产生变化，同时颜色的波长也会随着温度的变化而改变，特别是红光。

为了保持相同的强度，需要非常严格的白平衡进行补偿。

LP5520可以对强度和波长的改变都进行补偿。

　　基于典型的RGBLED强度与温度的关系分别补偿。

在校正过程中，PWM的值决定着颜色的强度，由于每一个LED已经在生产线上调整过，可以忽略器件之间的差异。

因为室温是温度范围的中间，样品在室温时表现最好，随着温度向两端变化，颜色误差也随之增加。

校正系统框图如图3所示。

　　具体的校正步骤如下。

（1）打开芯片的手动模式，设置LED的电流。

每一个颜色的LED的电流可以有差别，实际上就是设定PWM的值。

理论上在最高温度端，PWM的占空比最大。

实际上电流差不要超过50%。

（2）设定第一个温度点（可以测量到的最高温度，稍微超过100℃）。

　　（3）对于蓝色可用默认的强度（如在4096刻度时取1500，取决于RGBLED的种类）。

为有效的利用PWM的范围，在高温端红色的PWM是在0xF00（3840）附近。

然后让软件对所有LED迭代PWM值，直到达到要求的白色为准。

为获得最好的测量精度，调整光学衰减器获得接近满刻度的最高频谱幅度。

　　（4）改变温度到下一个测试点温度（降低5℃）。

依靠迭代PWM值，软件一直保持白平衡。

一旦温室到达设定的温度时保存每一个LED的PWM值。

（采用的最低温度点是稍微低于-40℃，步长为5℃。

采用的温箱从最高温度到最低温度大约需要一个小时）。

　　（5）基于测量到的数值，绘制曲线。

如图4。

　　结论

　　使用内部校正内存，用户在宽温范围内都可以方便地使用LP5520控制RGBLED产生纯正的白光，使LCD显示屏获得最佳的照片还原显示。

同时最终客户也可以根据自己的喜好调整LCD的显示效果，满足特殊要求。

本文所是用的电路应用到7英寸电子像框上，并且获得满意的效果。

LED应用系列报道之三·大尺寸背光大尺寸背光应用前景看涨成本和技术仍是制约因素

【赛迪网讯】根据DisplayBank预测，到2010年全球大尺寸TFT液晶面板用的LED背光模块市场，出货量将达6780万片，占整体LED背光模块市场的比重可望达到14.1%。

不同于手机、Monitor等中小尺寸应用，LCDTV由于主要应用于家庭娱乐，播放动态视频图像、影像等信息，所以对其显示品质的要求比较高，例如高亮度、高对比度、高色彩还原性、快速响应、无拖尾现象、低功耗、环保节能等，因此尽管目前LED背光比较于CCFL背光还存在价格昂贵、功耗大以及散热等方面的问题，但是面板厂家、背光源厂家和LED厂家都非常看好LED背光液晶电视的市场和未来发展前景，在这方面投入较大的人力、物力进行研究开发工作，以期尽快解决上述成本和技术问题，尽快把LED背光的液晶电视推向市场。

主持人梁红兵

京东方科技集团股份有限公司中央研究院副院长王刚

白光LED是大尺寸背光应用重要技术发展方向

近几年LED发光效率不断提高，同时在LED选型及二次光学设计、LED背光光学设计、热学管理设计、驱动控制技术等方面也不断提出新的技术和解决方案，使得利用LED点光源的特点，既解决了LED光源发光效率不足引起的功耗大、散热难等问题，同时也带来了整体LCDTV性能的大幅提升。

这就是大家常常在有关资料中见到的如动态背光控制、区域背光控制、闪烁和扫描背光等技术，通过这些技术的应用，使得采用LED背光的LCDTV在动态对比度、图像拖尾现象、功耗、色彩饱和度等方面得到显著改善。

大尺寸LCDTV用LED背光近两年另一个技术发展方向是白色LED光源的应用，尽管在色彩饱和度提升上较RGB独立光源的LED背光有所损失，但白光的发光效率较高，同尺寸屏使用的LED颗数大幅减少，可以降低成本，加快LED背光进入市场的进度。

再有基于壁挂需求的增温，大尺寸超薄LCDTV模块的需求增大，LED背光较CCFL背光在这方面更具优势。

大尺寸边灯式LED背光在LCDTV上的应用也被提出，韩国三星等已经开发出相应基于LED背光的超薄模块。

在2007年10月于日本横滨举办的平板显示展会上，三星就推出了厚度仅为1cm的40英寸LCDTV，其背光厚度估计仅为5mm左右。

LED背光未来另一个重要的应用是利用LED开关速度快的特点，实现无彩膜场序彩色显示，可去掉占液晶显示屏约20%左右成本的彩膜（C/F）材料，同时可提高整体显示屏的分辨率和光利用率，简化TFT-LCD的制备流程，降低成本。

与Monitor类似，考虑到不同的LED背光解决方案，大尺寸LCDTV上所使用的LED灯的颗数与屏幕大小和亮度的差异关系密切，从几百颗到几千颗的都有。

一般采用白光方案和边灯式结构的需要LED的颗数较少，而采用RGB三色方案和直下式结构所需要LED的颗数较多。

以三星40英寸先后推出的两款LED背光LCDTV产品为例，采用白光方案的不到1000颗LED灯，而较早推出的前一代采用RGB三色灯的则需要2160颗。

深圳帝光电子有限公司总工程师苏遵惠

突破光效和价格瓶颈才能快速取代CCFL

LED背光大型尺寸由于亮度要求高，只能采用直下式背光源，至2007年，LED背光大型尺寸的液晶电视在展会上样品多，而投放市场的不多，只有三星、索尼有少部分在欧美投放。

液晶电视从2003年开始真正作为商品进入市场，就显示出其主体地位。

随着全球各条高世代生产线的投产，液晶电视的成本将进一步降低，市场份额将逐年上升。

背光源在液晶器件总成本中占有重要地位，现在市面销售的液晶电视背光源还是CCFL的，我国还没有LED背光源的液晶电视上市。

预计从2008年第三季度开始，LED背光源的液晶电视会陆续上市。

由于价格原因，首先可能以32英寸以下为主，因为尺寸越小，与CCFL背光源的价差比例越小，容易被市场接受。

其技术改进方面，也是由于价格原因，只会使用原材料成本增加较少、开发费用也较低的一些技术，如环境亮度控制背光源亮度技术、遥控调节背光源亮度技术等。

LED背光源的液晶电视开始取代CCFL背光源电视可能要等到2009年，因为只有LED的发光效率达到100lm/w以上，LED才具有与CCFL抗衡的能力。

只有视频分区域控制LED背光源亮度技术、无彩膜时序控制LCD技术、具有偏振光LED技术或者其他对LED背光源节能、对视频效果有大幅度提高的新技术、新方案的出现，再加上LED价格大幅度下降，LED背光源电视才可能进入发展期，成为液晶电视的主流产品。

2006年以来，世界上研发LED优势较强的制造商，已经在中尺寸和部分大尺寸Monitor、TV中使用LED背光源，如日亚、丰田合成、CREE、飞利浦、欧司朗、三星等。

日亚2006年6月报道商品化白光LED光效率可达100lm/w;2007年6月CREE公司出台了LED新标准XLaurpLED，在350ma电流条件下，LED亮度LMIN≥100lm，即达到100lm/w水平，但价位仍居高不下。

总之，TV用LED背光源的发展前景广阔，只要LED光效率和价格的“瓶颈”一旦突破，将以超常规的速度取代CCFL背光源。

上海广电（集团）中央研究院副总监金波

LED背光在高端液晶电视上已有应用

由于大尺寸产品主要为电视机面板，为了体现高端产品的特性，需要RGBLED背光源，但是目前在特性、成本等方面还存在一些问题，因此LED背光源在大尺寸上的应用还较少，在高端液晶电视面板有一些应用。

LED背光源相对CCFL背光源具有以下优势：

环保优势（无汞）；显色范围广，可以实现大于NTSC150%的显色范围；点光源：

可以区域控制，降低电耗，提高图像品质。

基于以上优势，在40英寸以上液晶电视产品中，高端产品很有可能是LED背光源主要的应用产品。

如果RGBLED背光源在成本上与白色LED背光源一样的水准，整个液晶电视面板上，RGBLED背光源有机会成为主流。

在“第十一届中国（天津）信息技术博览会暨第四届国家信息化发展论坛”上，三星电子宣布将向中国市场发布目前世界上最大的商业化70英寸液晶电视。

这意味着LED背光源液晶电视的商业化已经迈出了实质一步。

在日本横滨举办的平板显示器展FPDInternational2007上，三星、夏普、友达、奇美等等一线面板制造商纷纷推出LED背光源液晶显示展品，对LED背光源的产业化蓄势待发。

目前主要技术解决方案有动态区域控制直下式RGB三色LED背光源和超薄型测光式高亮度白光LED背光源。

存在的技术问题包括：

直下式三色LED背光源成本太高；超薄型LED背光源导光板目前应用在LED背光NB成本仍高，若要做到40英寸以上大面积更将是一项挑战，不仅要防止超薄型导光板大面积碎裂问题，如何将侧光源均匀分布至另一端，导光板上微结构设计亦为考验。

TV用LED背光的发展趋势是使用RGB三色LED器件的动态LED背光源技术和使用高亮度白光LED器件的薄型化LED背光源技术。

与静态LED背光源本身环保的优点相结合，动态LED背光源技术可以大幅度提高画面对比度，满足未来高清液晶彩电画质及高动态范围影像的需求。

主动式动态LED背光源技术预期可有效降低LED器件功耗50%以上，功耗的降低还将进一步提高LED的寿命并降低对散热的要求，减少散热配件，降低整体成本。

主动式动态LED背光源技术还可以充分发挥LED器件本身的广色域优势。

显示超薄型LCDTV为未来TV的设计趋势之一〔因为可以壁挂〕。

在日本横滨举办的平板显示器展FPDInternational2007上，三星电子展出了厚度为10mm的超薄型液晶电视，其使用侧光式白光LED背光源，预计2008年中期开始量产。

深圳市中电淼浩固体光源有限公司总经理李明远

LED大尺寸背光面临亮度、散热、光均匀分布难题

到目前为止，世界上用LED背光源做大尺寸液晶显示的企业屈指可数。

大尺寸屏幕一般用于电视上。

三星、SONY等公司已经推出了40英寸以上的LED背光液晶电视产品，深圳市中电淼浩固体光源有限公司也于2005年研制成功了国内首台42英寸LED背光液晶电视。

由于价格高昂，市场还比较小。

主要技术解决方案和中型尺寸类似，一般也为侧出光方案和底部直接照明方案。

LED应用于大尺寸的LCD背光源，技术方面面临亮度、散热、光的均匀分布等难题。

技术重点是屏幕亮度均匀性和色彩表现力。

为提高色彩表现能力，一般采用RGB三色LED光源混合光照，并采用相应的色彩管理技术来控制多色LED光源，以达到最佳色彩表现力。

对于大尺寸LED背光电视，还有个问题是LED的发热和散热问题。

必须设计良好的散热系统，以保证LED背光正常工作。

目前市场主要面对民用市场，由于价格高昂，市场还比较小。

LED要进入液晶电视背光源市场还面临价格较高、三基色LED波长衰减不一致影响寿命以及需要重新进行电路设计等问题。

这些问题都使得2006年、2007年LED要进入液晶电视背光源市场十分困难，但鉴于LED背光源的多种优势，相关厂商都在积极投入资金进行研发，一旦技术成熟达到量产，规模化必将带动价格的下降，预计在2009年LED液晶电视背光源市场将启动。

TV用LED背光的发展趋势是向更高色彩表现力和色彩还原力发展，并减低发热，提高稳定性。

LED应用于大尺寸的LCD背光源，技术方面面临亮度、散热、光的均匀分布等难题，但目前LED进军大尺寸LCD背光源的主要障碍在于价格。

一般LED背光源比传统的CCFL贵5倍左右。

所以，在近期国内外开发LED背光源的热点都在于大屏幕的液晶显示器，故而目前LED背光源主要是定位于高端的液晶电视产品上。

对于液晶电视来说，目前CCFL背光源的替代技术就是LED背光源。

LED因采用三基色发光、色还原性好、耗电量低，再加上寿命长（5万～6万小时，可与液晶显示屏匹配）、短小轻薄、环保等优势，它已逐渐取代CCFL背光源，在液晶显示领域显示出了巨大的潜力。

海信集团有限公司研发中心副主任刘卫东

未来五年需求将达2000万台

LED背光大型尺寸目前应用还非常少。

以电视为例，目前只有SONY、三星向市场推出了少量70英寸LED背光液晶电视产品。

技术解决方案方面，以采用的单元发光器件来分，主要有四种方式：

R、G、B芯片分立封装，R、G、B三合一或四合一（多一个绿色芯片）封装，芯片直接键合在背光线路板上（COB）和双色荧光粉白光LED。

以控制方式来分，主要可分为全屏动态控制和分区动态控制两类。

技术问题有四方面：

一是色度均匀性的问题。

LED背光由于是点光源，并且由RGB三色合成白光，因此在显示的时候会出现色度不均匀现象，特别在白场较易察觉。

二是发光效率问题。

目前可以用于背光的LED，合成白光的光效一般在40lm/W左右，光能利用不高，同时也会造成散热等一系列问题。

三是LED成本问题。

当前LED的成本普遍偏高，尤其应用于LED背光的都是高端产品，目前42英寸LED背光的平均成本在500美元-700美元，而同尺寸的CCFL背光成本只有150美元左右。

四是背光动态控制算法进一步完善问题。

目前实现的算法从画质改善、动态节能等方面还不是最优化的，需要进一步完善。

未来市场需求完全可以乐观，根据Displaybank的预测，到2010年，LED背光在大尺寸市场的占有率超过10%。

根据上述预测，LED背光潜在市场需求总量在未来5年将高达2000万台以上，销售额可达约50亿美元，利润10亿美元左右。

目前由于成本问题，市场需求规模还不大。

适应宽色域、精细动态控制和超薄化的需求，可以预见TV用LED背光的发展趋势将以采用中、小功率R、G、B芯片分立器件或三合一封装器件为主流，效率将不断提高，成本可望持续降低，在背光控制技术方面也会不断有新的突破，以充分发挥LED背光源技术节能、提高画质的效能。

江苏稳润光电有限公司总工程师包书林

解决热效应问题需要LED业者共同努力

液晶电视至今仍使用冷阴极灯管CCFL作为主要的背光源，其成本与技术较目前发光