直下式模组灯条设计

一、序言

在产品开发过程中，模组占据电视的很大一部分，模组的设计很大程度上决定产品的最终意识形态，所以模组的开发在产品的设计过程中非常重要。在模组设计过程中，需要熟练的了解模组的设计指标，包括混光距离、亮度、色温、能效、均匀性、色域覆盖率等等其中混光距离，亮度、色温、能效、色域覆盖率这几项参数与灯条的设计紧密相关。

因此，在模组开发过程中，灯条设计非常重要，合理的设计能够让产品以最优的设计方案体现产品的最大价值，下面详细介绍直下式模组的灯条设计。

图1 直下式模组混光距离示意图

二、LED规格以及与LENS匹配性

1、LED的规格

目前直下式灯条常用的LED规格按照封装大致分为以下几种规格：3528单晶、3528双晶、3030单晶、3030双晶、3535单晶、3535双晶以及Flip Chip 3030，最近有各LED厂商在推广CSP（Chip Scale Package） 1313封装。按照晶片开口直径又可以分为：Φ1.8，Φ2.1，Φ2.5，Φ2.6。

2、混光距离（OD：optical distance）

直下式混光距离（OD）定义：指扩散板与PCB上表面之间的距离。OD越大，LED光束混光越充分，灯颗影越轻微，视效会更好，所以不同的OD对于直下式模组灯条的设计有不同的影响，因此在产品立项是OD的选择决定了直下式模组灯条的设计。OD的结构示意图如图1所示：

3、与LENS的匹配性

LED的发光角度约为120°，而且不同角度的光强度不相同，如果单独使用LED产生的光束作为背光源，会出现背光整体视效的亮度不均匀。目前采用将LENS放在LED正上方，使LED产生的光束经过LENS进行二次光学，让光束能够更均匀的发散，在直下式腔体内（OD）进行混光，通过调整LED光源之间的间距是的背光呈现均匀的视效。

针对不同的OD，有不同的光学原理透镜：

图2 折射型透镜

图2中为折射型透镜，利用光学的折射原理，把入射光发光角度扩大，形成更大角度均匀的出射光，通过直下式腔体进行混光，从而实现整面均匀的效果，此类型透镜常用于OD25-40mm直下式模组；图3为反射型透镜，将LED发出的光束经过此LENS后，光束打到反射片，再经过反射片反射出的光束在腔体内混光，此类透镜常用在OD15-25mm的直下式模组。

图3 反射型透镜

三、LED颗数的评估

产品立项有关亮度等相关指标，不同的产品档次规定的指标也是存在差异的，通常在模组设计的过程中要考虑到在整机调试过程中会有一定的亮度损失，所以在模组开发时要留有一定的亮度裕量。首先介绍模组中心的亮度计算公式：

 （１）

式中：L—模组中心亮度，单位cd/㎡（坎德拉/平方米）；N—LED的数量；F—单颗LED的亮度，lm（流明）；0.37—坎德拉（cd）与lm（流明）的换算系数，N1—扩散板的透过率，量纲为1；N2—膜片的增益，量纲为1；N3—玻璃的穿透率，量纲为1；S—玻璃的AA区面积，即有效发光面积，单位㎡。

根据公式可以算出LED使用的数量，但也要考虑到LED搭配LENS使用的间距，以及排布方式，当算出来的LED数量为质数时，在背板上无法成规则的排布，这时可以适当的增加LED数量进行调整灯条的排布方案。在灯条排布方案时要考虑背光恒流通道的取舍，要选择常规的通道数量以及恒流参数。同时，在设计过程中要考虑LED后续开发亮度提升后的方案，即兼容减少灯颗的方案。具体的灯条排布还是要根据实际项目进行精细化评估。

四、灯条PCB板Layout设计规范

确定了LED的排布方案以及和透镜的搭配后，需要将灯条方案进行Layout，以下几点在Layout过程中要注意的规则：

1、PCB板宽以及板框的设计规范

PCB的板宽是根据LENS的宽度确定的，通常板宽比LENS款1mm以上，保证分板后，LENS不会被刮伤，常用的PCB板宽见下表。PCB在一端要留有分板机近刀口，便于分板。如图4所示：

图4 PCB板端入刀口设计图

2、安全间距的相关设计规范

由于直下式灯条的PCB线路比较简单，要求走线尽可能宽一些，最窄处按照0.6mm要求，除LED之间的间距，其他安全间距要求不低于0.8mm。板材要求所有线路距板边1mm以上。

3、螺钉控位置设计规范

灯条PCB主要靠螺钉固定，在螺钉控位置要预留3mm禁止覆铜区的安全间距，防止螺钉和线路短路。

4、覆铜

在保证安全间距的间距的情况下，尽可能的多覆铜，LED的散热主要是依靠PCB板上的铜皮进行散热，增加散热面积，能起到更好的散热效果。

5、Mark点的要求

直径为1mm的独立的圆形焊盘，没有任何网络连接。MARK点外围直径3MM内露基材。两个Mark点分布在PCB的对角形成一对。为了保险起见可以用4个Mark点分布在PCB的4个角。另外，考虑到部分PCB过长，不超过300mm增加一对Mark点。对角线不能相等，建议差值为15mm以上，破坏掉MARK点的均匀性。

五、LED灯条寿命设计原则

产品要考虑其中元器件的寿命，同样，在灯条的使用过程中也要考虑LED的寿命，，LED的寿命受其结温（Junction Temperature）影响非常大。图5为LED结温（Junction　Temperature）与寿命的关系的曲线，所以在LED使用过程中要控制结温。结温的计算公式如下：

 （２）

式中：—结温（Junction Temperature），单位摄氏度（℃）；—热阻（Thermal Resistance），单位摄氏度每瓦（℃/W）；—LED焊角温度，单位摄氏度（℃）；—LED驱动电流，单位安培（A）；—LED电压，单位伏特（V）。

图5　LED光衰曲线

模组要求LED的寿命不小于30000小时（The lifetime of LED is defined as the time when LED packages continue to operate，and its brightness attenuation to the original 50%），结合图5和公式（２）可以推算出LED焊角温度需小于80℃，考虑到极限使用环境最高40℃，所以在设计阶段要求LED焊角温度不超过65℃（@25℃），此项影响LED寿命的重要因素，在设计中一定要注重把控。

六、LED的混BIN规范

通过以上可以确定直下式模组的灯条排布方案，接下来就是确定LED具体的规格，涉及到LED的亮度规格，色度规格，电压规格，波长规格等。

1、亮度规格

亮度是灯条设计中一个重要指标，只有满足亮度指标才能够算的上合格的开发，所以将满足亮度指标的LED亮度档定为最低亮度档，当然这也要结合LED厂商的亮度产出比。

2、色度规格

模组设计对色温要求为：9000K-12000K，色块跨度太大容易超出模组色温范围，色度跨度太小，LED厂家无法满足交货需求，所以色块的选择一定要同时满足这两个需求。在模组开发阶段要确定色块极限色点的模组色温，色块极限色点满足在色温范围内，其他非极限色点LED一定是满足色温要求的，因此在开发过程中极值色温点对应的极限色块色度点测试非常重要。

3、电压规格

LED的的驱动方式为恒流驱动，所以在确定方案时，LED电压是影响整体功率的重要因素。同样，功率又影响着能效。确定方案后，根据产品的能效定义进行测试，将满足能效要求的电压档定为最高电压档。但是，电压档也不能过低，电压过低会对恒流的设定有很大影响，通常将LED最低电压档定位2.8V。

4、波长规格

波长的选择是根据模组使用的玻璃频谱相关，通常用在背光上的LED频谱范围为：440-460nm之间，波长是影响duv重要因素，波长越大，duv会越大。

以上LED这几种规格在直下式模组中都是单打，否则模组会出现色度和亮度以及颜色不均等现象。混打表作为严格管控LED来料的依据，以及对SMT打件起到参考作用，为研发和生产顺利进行打下良好的基础。

七、小结 

本文通过对直下式模组灯条设计做了详细的介绍，包括对LED的规格以及与LENS匹配性、LED颗数的评估、灯条PCB板Layout设计规范、LED寿命设计、LED混BIN规范，希望对相关设计人员起到参照和借鉴的作用。

参考文献

[1]  LED的光衰和寿命测算

[2]  创维内部资料《科技论文集》

（注：本文刊登于《电子产品世界》杂志2020年11期）