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直下式模組燈條設(shè)計

作者:徐軍,朋朝明(深圳創(chuàng)維-RGB電子有限公司,廣東 深圳 518108) 時間:2020-11-13 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏
編者按:該文從直下式背光模組燈條設(shè)計出發(fā),詳細(xì)講述了直下式模組燈條LED數(shù)量的評估方法;在燈條PCB Layout提出了詳細(xì)的設(shè)計規(guī)范,同時也詳細(xì)介紹了不同混光距離對LED規(guī)格的選擇以及與LENS匹配性搭配,為直下式模組開發(fā)設(shè)計起到參考作用。


本文引用地址:http://m.ptau.cn/article/202011/420293.htm

一、序言

在產(chǎn)品開發(fā)過程中,模組占據(jù)電視的很大一部分,模組的設(shè)計很大程度上決定產(chǎn)品的最終意識形態(tài),所以模組的開發(fā)在產(chǎn)品的設(shè)計過程中非常重要。在模組設(shè)計過程中,需要熟練的了解模組的設(shè)計指標(biāo),包括混光距離、亮度、色溫、能效、均勻性、色域覆蓋率等等其中混光距離,亮度、色溫、能效、色域覆蓋率這幾項參數(shù)與的設(shè)計緊密相關(guān)。

因此,在模組開發(fā)過程中,設(shè)計非常重要,合理的設(shè)計能夠讓產(chǎn)品以最優(yōu)的設(shè)計方案體現(xiàn)產(chǎn)品的最大價值,下面詳細(xì)介紹設(shè)計。

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圖1 混光距離示意圖

二、規(guī)格以及與匹配性

1、的規(guī)格

目前直下式燈條常用的規(guī)格按照封裝大致分為以下幾種規(guī)格:3528單晶、3528雙晶、3030單晶、3030雙晶、3535單晶、3535雙晶以及Flip Chip 3030,最近有各LED廠商在推廣CSP(Chip Scale Package) 1313封裝。按照晶片開口直徑又可以分為:Φ1.8,Φ2.1,Φ2.5,Φ2.6。

2、混光距離(OD:optical distance)

直下式混光距離(OD)定義:指擴散板與PCB上表面之間的距離。OD越大,LED光束混光越充分,燈顆影越輕微,視效會更好,所以不同的OD對于燈條的設(shè)計有不同的影響,因此在產(chǎn)品立項是OD的選擇決定了直下式模組燈條的設(shè)計。OD的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示:

3、與的匹配性

LED的發(fā)光角度約為120°,而且不同角度的光強度不相同,如果單獨使用LED產(chǎn)生的光束作為背光源,會出現(xiàn)背光整體視效的亮度不均勻。目前采用將放在LED正上方,使LED產(chǎn)生的光束經(jīng)過LENS進行二次光學(xué),讓光束能夠更均勻的發(fā)散,在直下式腔體內(nèi)(OD)進行混光,通過調(diào)整LED光源之間的間距是的背光呈現(xiàn)均勻的視效。

針對不同的OD,有不同的光學(xué)原理透鏡:

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圖2 折射型透鏡

圖2中為折射型透鏡,利用光學(xué)的折射原理,把入射光發(fā)光角度擴大,形成更大角度均勻的出射光,通過直下式腔體進行混光,從而實現(xiàn)整面均勻的效果,此類型透鏡常用于OD25-40mm直下式模組;圖3為反射型透鏡,將LED發(fā)出的光束經(jīng)過此LENS后,光束打到反射片,再經(jīng)過反射片反射出的光束在腔體內(nèi)混光,此類透鏡常用在OD15-25mm的直下式模組。

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圖3 反射型透鏡

三、LED顆數(shù)的評估

產(chǎn)品立項有關(guān)亮度等相關(guān)指標(biāo),不同的產(chǎn)品檔次規(guī)定的指標(biāo)也是存在差異的,通常在模組設(shè)計的過程中要考慮到在整機調(diào)試過程中會有一定的亮度損失,所以在模組開發(fā)時要留有一定的亮度裕量。首先介紹模組中心的亮度計算公式:

image.png (1)

式中:L—模組中心亮度,單位cd/㎡(坎德拉/平方米);N—LED的數(shù)量;F—單顆LED的亮度,lm(流明);0.37—坎德拉(cd)與lm(流明)的換算系數(shù),N1—擴散板的透過率,量綱為1;N2—膜片的增益,量綱為1;N3—玻璃的穿透率,量綱為1;S—玻璃的AA區(qū)面積,即有效發(fā)光面積,單位㎡。

根據(jù)公式可以算出LED使用的數(shù)量,但也要考慮到LED搭配LENS使用的間距,以及排布方式,當(dāng)算出來的LED數(shù)量為質(zhì)數(shù)時,在背板上無法成規(guī)則的排布,這時可以適當(dāng)?shù)脑黾覮ED數(shù)量進行調(diào)整燈條的排布方案。在燈條排布方案時要考慮背光恒流通道的取舍,要選擇常規(guī)的通道數(shù)量以及恒流參數(shù)。同時,在設(shè)計過程中要考慮LED后續(xù)開發(fā)亮度提升后的方案,即兼容減少燈顆的方案。具體的燈條排布還是要根據(jù)實際項目進行精細(xì)化評估。

四、燈條PCB板Layout設(shè)計規(guī)范

確定了LED的排布方案以及和透鏡的搭配后,需要將燈條方案進行Layout,以下幾點在Layout過程中要注意的規(guī)則:

1、PCB板寬以及板框的設(shè)計規(guī)范

PCB的板寬是根據(jù)LENS的寬度確定的,通常板寬比LENS款1mm以上,保證分板后,LENS不會被刮傷,常用的PCB板寬見下表。PCB在一端要留有分板機近刀口,便于分板。如圖4所示:

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圖4 PCB板端入刀口設(shè)計圖

2、安全間距的相關(guān)設(shè)計規(guī)范

由于直下式燈條的PCB線路比較簡單,要求走線盡可能寬一些,最窄處按照0.6mm要求,除LED之間的間距,其他安全間距要求不低于0.8mm。板材要求所有線路距板邊1mm以上。

3、螺釘控位置設(shè)計規(guī)范

燈條PCB主要靠螺釘固定,在螺釘控位置要預(yù)留3mm禁止覆銅區(qū)的安全間距,防止螺釘和線路短路。

4、覆銅

在保證安全間距的間距的情況下,盡可能的多覆銅,LED的散熱主要是依靠PCB板上的銅皮進行散熱,增加散熱面積,能起到更好的散熱效果。

5、Mark點的要求

直徑為1mm的獨立的圓形焊盤,沒有任何網(wǎng)絡(luò)連接。MARK點外圍直徑3MM內(nèi)露基材。兩個Mark點分布在PCB的對角形成一對。為了保險起見可以用4Mark點分布在PCB4個角。另外,考慮到部分PCB過長,不超過300mm增加一對Mark點。對角線不能相等,建議差值為15mm以上,破壞掉MARK點的均勻性。

五、LED燈條壽命設(shè)計原則

產(chǎn)品要考慮其中元器件的壽命,同樣,在燈條的使用過程中也要考慮LED的壽命,,LED的壽命受其結(jié)溫(Junction Temperature)影響非常大。圖5為LED結(jié)溫(Junction Temperature)與壽命的關(guān)系的曲線,所以在LED使用過程中要控制結(jié)溫。結(jié)溫的計算公式如下:

image.png (2)

式中:—結(jié)溫(Junction Temperature),單位攝氏度(℃);—熱阻(Thermal Resistance),單位攝氏度每瓦(℃/W);—LED焊角溫度,單位攝氏度(℃);—LED驅(qū)動電流,單位安培(A);—LED電壓,單位伏特(V)。

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圖5 LED光衰曲線

模組要求LED的壽命不小于30000小時(The lifetime of LED is defined as the time when LED packages continue to operate,and its brightness attenuation to the original 50%),結(jié)合圖5和公式(2)可以推算出LED焊角溫度需小于80℃,考慮到極限使用環(huán)境最高40℃,所以在設(shè)計階段要求LED焊角溫度不超過65℃(@25℃),此項影響LED壽命的重要因素,在設(shè)計中一定要注重把控。

六、LED的混BIN規(guī)范

通過以上可以確定直下式模組的燈條排布方案,接下來就是確定LED具體的規(guī)格,涉及到LED的亮度規(guī)格,色度規(guī)格,電壓規(guī)格,波長規(guī)格等。

1、亮度規(guī)格

亮度是燈條設(shè)計中一個重要指標(biāo),只有滿足亮度指標(biāo)才能夠算的上合格的開發(fā),所以將滿足亮度指標(biāo)的LED亮度檔定為最低亮度檔,當(dāng)然這也要結(jié)合LED廠商的亮度產(chǎn)出比。

2、色度規(guī)格

模組設(shè)計對色溫要求為:9000K-12000K,色塊跨度太大容易超出模組色溫范圍,色度跨度太小,LED廠家無法滿足交貨需求,所以色塊的選擇一定要同時滿足這兩個需求。在模組開發(fā)階段要確定色塊極限色點的模組色溫,色塊極限色點滿足在色溫范圍內(nèi),其他非極限色點LED一定是滿足色溫要求的,因此在開發(fā)過程中極值色溫點對應(yīng)的極限色塊色度點測試非常重要。

3、電壓規(guī)格

LED的的驅(qū)動方式為恒流驅(qū)動,所以在確定方案時,LED電壓是影響整體功率的重要因素。同樣,功率又影響著能效。確定方案后,根據(jù)產(chǎn)品的能效定義進行測試,將滿足能效要求的電壓檔定為最高電壓檔。但是,電壓檔也不能過低,電壓過低會對恒流的設(shè)定有很大影響,通常將LED最低電壓檔定位2.8V。

4、波長規(guī)格

波長的選擇是根據(jù)模組使用的玻璃頻譜相關(guān),通常用在背光上的LED頻譜范圍為:440-460nm之間,波長是影響duv重要因素,波長越大,duv會越大。

以上LED這幾種規(guī)格在直下式模組中都是單打,否則模組會出現(xiàn)色度和亮度以及顏色不均等現(xiàn)象。混打表作為嚴(yán)格管控LED來料的依據(jù),以及對SMT打件起到參考作用,為研發(fā)和生產(chǎn)順利進行打下良好的基礎(chǔ)。

七、小結(jié) 

本文通過對直下式模組燈條設(shè)計做了詳細(xì)的介紹,包括對LED的規(guī)格以及與LENS匹配性、LED顆數(shù)的評估、燈條PCB板Layout設(shè)計規(guī)范、LED壽命設(shè)計、LED混BIN規(guī)范,希望對相關(guān)設(shè)計人員起到參照和借鑒的作用。

參考文獻

[1]  LED的光衰和壽命測算

[2]  創(chuàng)維內(nèi)部資料《科技論文集》

(注:本文刊登于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年11期)



關(guān)鍵詞: 直下式模組 燈條 LED LENS

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