兼具效率、環保的LCD TV LED BLU背光設計方案
- 黃柏凱
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平面顯示器選用LED背光設計，似乎已經成為環保要求下的主流選擇，因為採CCFL冷陰極管螢光燈背光，一方面CCFL製程含汞的問題可能影響生活環境，而驅動CCFL在電源方面的耗能也相對比LED來得高，但LED背光設計如何達到兼具效率與成本要求，側光型的設計方案是不錯的選擇...
LED Backlight unit(BLU)，在LCD TV或尺寸較大屏幕的電腦顯示器中的Backlight unit左右產品整體的應用成本，因為BLU最直接影響平面顯示器終端產品的總成本，因為光是BLU的料件與電源模組，就佔了平面顯示器總成本約30~40%，由其是對於對比度、亮度、角亮度...等產品規格重點，BLU設計形式也具備舉足輕重的影響關鍵。
尤其是大尺寸LCD TV設計方案，CCFL使用會出現較多限制，例如，當燈管數增加前提下，驅動電源設計就顯得更複雜與困難，加上CCFL(Cold Cathode Fluorescent Lamp)未能如LED耐用，用於高單價的大螢幕顯示方案中，將增添日後產品維修的成本問題。至於LCD TV這類平面顯示器，由於顯示屏變大了，對於BLU的要求就更高一層，由其是BLU需能提供足夠的亮度、對於驅動電能也能在兼具成本考量下，達到最佳節能與驅動能力的平衡。
LED BLU已成為LCD TV主流設計
作為多種BLU光源的可用選項，LED其實在LCD產業正逐漸站穩主流應用角色，尤其呈現幾乎取代CCFL的使用趨勢。
基本上LED BLU讓LED TV產品使用壽命、色彩表現能力較CCFL設計方案表現更佳，因為LED BLU較不會出現與實際的RGB波長峰值重疊的問題，加上LED為顆粒型態的電子元件，料件本身的抗震能力極強，生產線可採SMT(Surface Mount Technology)快速打件、量產，這在CCFL較難以達到相同製程產出，只是LED最大的缺點即單位成本較高。
在以往平面顯示器的設計方案中，BLU主流選擇早期仍以CCFL冷陰極管進行設計，而LED隨著單位成本不斷下滑，元件本身的發光效率持續提升下，加上節能、環保訴求，BLU光源已逐漸改以LED為主流設計形式。
LED BLU直下式、側光式設計方案
採行LED做為BLU的設計，由於LED屬於點狀光源，跟CCFL的燈管形式略有不同，最簡單的方式即將LED採矩陣式排列，此即為直下式的背光設計，另一種形式的BLU排列方式，則是採行側光式BLU設計方案，即將LED發光二極體集中在側邊，藉由採用效能更高的LED發光單元搭配物理性光學增強膜，來達到如同直下式背光提供的勻稱面光源背光效果。
若以成本觀察，BLU的節省料件開發方案，直下式設計會隨著屏幕加大令BLU採行的元件數量激增，日後維修成本也會因為BLU模組數量較多，成本相對較高，而且直下式為達到勻稱光型，發光元件與LCD面板需有一定距離，這也造成最終成品在產品厚度方面表現受限較多，較無進一步薄化設計的可能壓縮空間。
至於側光型BLU，同樣採行LED BLU，但側光設計會把LED BLU移至側邊，而移到側邊的優點即採用的LED料件大幅簡省，設計方案只要採用高效能的LED元件，即可善用物理導光膜、導光光學樹脂器件，把側邊光源有效形成如同直下式BLU的勻稱面光源，不光是LED數量驟減，驅動電路僅需針對因應面板尺寸應有的BLU亮度進行輸出微調，而不需如同直下式驅動電路般呈現高複雜性設計。
雖說側光型LED BLU看似是較佳設計方案，但側光型LED BLU也不是完全沒有缺點。因為側光型LED BLU設計，會將LED高度集中於屏幕的側邊，LCD產品厚度得以大幅縮減，實際上這也考驗著LED元件的單個零組件的發光效率。至於提升發光效率的方法很多，可以從導入高效能LED著手，同時搭配高效率、高升壓的DC-DC電源轉換器，來滿足高效能側光LED BLU模組所需的驅動電能。
側光式更適合大型屏幕之薄化設計
在大尺寸的LCD TV設計方案，側光式LED BLU在邊緣排列可達到60~70個LED元件，其實這需要驅動電路得滿足高壓、穩定的輸出品質，因為，若無法達到高壓輸出，高達60~70顆的LED元件即無法達到高發光效率的背光表現，雖然可用多組驅動電路去達到分散設計、提供高壓驅動的設計目的，但先前也有提及，平面顯示器的成本若能在BLU方面儘可能減省，對於壓低TV的製作成本有極佳的助益。
一般的BLU驅動電路作法，會採行成本較低廉的交換式電源(switched-mode power supply；SMPS)設計，將24v電壓利用SMPS電路將電壓提高至120~130v以上，但這種升壓設計方案仍有許多缺點尚待突破，尤其是成本與電路設計複雜性方面。
利用DC-DC升壓轉換器設計BLU驅動電路
LCD TV換購的趨勢，除顯示畫面尺寸不斷攀高外，另一個關鍵的市場推力在於環保訴求，因此，LCD TV的高能源使用效率、低溫表現，一直是市售LCD TV的關鍵產品性能參數，也是TV產品在薄化結構下系統關鍵指標。多數的狀況在設備處於室溫25℃、無空氣對流的環境下，LCD TV顯示器中的DC-DC電源倍壓電路設計，如MOSFET、電感、電容...等主要元件其機殼內的溫度不應該超過60~65℃。
另一種設計方案，為採行高升壓比之DC-DC升壓轉換器，來建構LED Backlight unit的驅動電路，而利用倍壓、升壓型DC-DC轉換器，提供高效率、兼具成本效益的驅動電路解決方案。
倍壓、升壓型DC-DC轉換器主流為透過MOSFET的開關轉換，來產生倍壓、升壓效果，在電路中的電感、電容設計，是影響快速瞬態響應性能關鍵，尤其是在目前LCD TV持續朝輕薄設計方向進展，在電源驅動電路方面，利用更輕薄短小的倍壓、升壓型DC-DC轉換器，可以輕易滿足設計需求。
而電源設計的發展趨勢，大方向為透過降低能源轉換的損耗來進一步提高輸出效率，至於電源系統想要獲得更高效率的輸出，則必須搭配具低導通阻抗RDS(ON)特性之開關元件，使其電源轉換電路具有較低閘極電荷與較佳導通阻抗效果，進而降低開關轉換的損耗與導通損耗，尤其是控制MOSFET之開關損耗，是提高整體電源轉換效率的關鍵。
