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白光型发光二极管(WLED)之背光设计兵法 |
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前言：白光型发光二极管（White Light-Emitting Diode；WLED，也经常写成：White LED）的出现，使LED摆脱过去只能用在指示灯号、霓虹灯饰等场合，开始往电子照明领域迈进，包括汽车的方向辅助灯、初阶数字相机的闪光灯等都已能用WLED代替，更有甚者，已有业者将WLED的裸晶面积加大制造，从2×2mm扩增至5×5mm，增强其发光，使WLED也能用在汽车的主照灯上，只待审议核可便可上市。
除此之外，WLED还有一项热门的应用，即是充当LCD的背光源，以取代过往的冷阴极灯管（Cold Cathode Fluorescent Lamp；CCFL）。不过，现阶段将WLED用于背光有其益也有其害，如何取益避害，将是电子工程设计者所关切的，本文以下就来说明几种WLED背光设计的情境，并藉此了解个中应有的注意及要领。
■手机、数位相机（1.2"2.5"）
 ▲NS针对手持装置所提出的LP3954芯片，该芯片具有WLED背光驱控、WLED闪光灯驱控等能力，此外也具有RGB LED控制、ADC模拟数字转换等功能。
一般而言，手机、数字相机（预览窗）等装置所配属的LCD显示器皆属小尺寸，如2.2"、2.5"等，而有的掀盖式手机还配有副显示屏，副显示屏较主幕来得小，约多在1.2"左右，以上这些小吋数的LCD若用WLED作为其背光源，只要简单地将36颗WLED（使用颗数端视画面大小而定）加以串并联即可实现。
WLED除了做手机、数字相机的LCD背光外也能有其它的用处，例如今日的手机在按钮时也会发光，以方便使用者在暗处拨号（按键背光），或者来电时天线部位会发光提示，这些也都可用WLED，另外初阶数字相机或带有照相功能的手机，也开始用WLED充当闪光灯（约14颗），如此在单一装置内使用更多颗的WLED，组件用量增加且一致化，在设计及制造的供应调度上都有益处。
虽然小吋数LCD的背光只要简单串并、排列36颗WLED即可，但进一步有两个疑问：1.若同一装置内有WLED型闪光灯，闪光灯需要比背光更高的驱动电流，甚至需要有预闪功能（防红眼）。2.背光的亮度并非一成不变，有时会有节能模式的体贴设计，在省电模态下自动将背光亮度降低，或者允许使用者自行调整亮度。
所以WLED背光的驱动电路不能只是简单的On/Off设计，还必须有调节驱动电流（进而改变WLED亮度）的能力，且照相手机愈来愈多，数字相机使用WLED型闪光灯的机会也愈来愈高，因此对设计者而言必须设计2组WLED驱动电路，1组供WLED背光，1组供WLED闪光，同时2组都要有调整亮度的能力。
由于这类型的设计需求愈来愈多，因此许多模拟IC、电源管理IC的业者纷纷提出解决方案，即WLED驱动IC（英文称为：White LED Driver），驱动IC可同时掌控WLED背光与WLED闪光，包括On/Off的亮灭控制、多段式亮度控制等，其中亮度控制只要改变流经WLED的电流量即可，流量大则亮度高，流量小则亮度低，改变方式可采电压调整法或脉宽调变（Pulse Wide Modulation；PWM）法。
所谓电压调整法，在于改变WLED的驱动电压，电压高则流经WLED的电流量也会增加，进而增亮，反之亦然，然电压调整法对电流量的操控不够细腻，些微的电压改变就会使电流量大幅变动，除非使用极细腻的电压调整电路，但因此也会使成本与电路复杂度（体积）大增。
相对的PWM法是改变WLED明灭的工作周期（Duty Cycle），以WLED的导通（点亮驱动）周期百分比、频率来控制亮度，不仅可以细腻调整且成本、复杂度都较低，今日WLED驱动IC普遍采行此法来调整亮度。
至于有哪些业者提供WLED驱动IC？答案是：现有模拟IC、电源管理IC业者几乎都有提供，如Linear、MAXIM、Micrel、NEC、NS、以及TI等。国内业者也有ARQUES（雅捷科技）、AIC（沛亨半导体）、AME（安茂微电子）、以及Richtek（立锜科技）等。
另外也回到更前头的疑问：用WLED取代CCFL有何优点？有何缺点？
关于此先说明优点，WLED只要正向电压即可驱动，且可以直接用锂电池的3.6V来驱动，相对的CCFL需要交流电压才能驱动，且要较高的驱动电压（多在正负10V以上），所以电源不仅要反相还要升压，供电设计的复杂性高过WLED。
至于缺点，目前WLED的用电效率仍不如CCFL，因此手持装置在相同的电池电容量下，WLED作法将较CCFL耗电，使装置待机时间缩短，不过今日手持装置的应用愈来愈多，其它环节的用电也在成长（如手机照相闪光灯、手机数字电视、手机3D电玩、手机MP3随身听等），背光部份的成长有时反成为次要问题。
当然！WLED还有其它优点，例如没有使用有害物质，容易通过欧盟订立的RoHS法规，相对的CCFL是运用汞气体（水银蒸气）发光，铅、汞等有害物将逐步受各国市场限制。另外WLED对冲撞较具抗受性，反之以光管方式发光的CCFL一旦受冲撞破裂，就无法再行发光。也因此今日有许多矿工的配属头灯已改用WLED，此在严苛、多撞击的工作环境、场合中格外受用。
附注：欧盟于2003年2月13日发布WEEE（Waste Electronics and Electrical Equipment）与RoHS（Restriction of Hazardous Substances Directive）两项规定，其中RoHS规定：自2006年7月1日起销往欧洲的商品不得用有害物质，包括铅、汞、六价铬、PBB（多溴联苯）、及PBDE（多溴二苯醚）等，这也是今日芯片封装积极去铅化（Lead-Free）的原因之一。
■PDA、PMP（3.5"7"）
比手机、数字相机更大显示尺寸的手持装置有个人数字助理（Personal Digital Assistant；PDA）、可携式媒体播放器（Portable Media Player；PMP）等，当然也包括电子字典、股票机、掌上型游乐器，这些约在3.5"、3.7"左右，最高也有到7"的规格。
由于尺寸更大，碍于光均度的问题，不适合再以WLED的直接配置来形成背光，这时需改用背光模块（Back Light Module），模块已将WLED光源运用折射、导光板及其它相关工艺技术来处理光均度问题，而PDA、PMP的产品设计者则多采直接向模块业者购买WLED背光模块，事实上PDA、PMP设计者过去也是向模块业者购买CCFL背光模块，而非CCFL光管组件，直接引用半成品以加速设计。
不过，依然有些设计业者倾向不用现成的WLED背光模块，而使用更多颗的WLED（如69颗）来形成背光，并以实体配置排列及稳压稳流等控制来维持光均（电压需要稳定，否则也无法掌控电流量，进而让亮度不均）。另外从学理看，WLED属点光源，而CCFL属线光源（光管），在光均克服上确实WLED难于CCFL，只是这个技术难题是交由模块业者解决？还是由PDA/PMP设计者亲自解决？就依设计者的把握度、时间、成本等因素而定。
至于国内外有哪些WLED背光模块业者？目前多是从原有CCFL背光模块业者所尝试延伸，毕竟都是为了提供LCD用的背光。而仔细一览，会发现国外的LCD背光模块业者几乎都属日系，如Stanley电气、Denyo、茶谷产业、富士通化成、多摩电气等。
至于国内方面，也有瑞仪光电（技术来自茶谷，大同子公司）、福华电子（技术来自茶谷）、华新丽华（技术来自Denyo）、华荣电缆（技术来自富士通化成）、兴隆发电子（技术来自桐生）、中强光电、辅祥实业、科桥电子、定莹光电、优技计算机、云光科技、精工美术、奈普光电（铼德投资）、和立联合、康竣光电、元津科技等业者投入LCD背光（包括STN与TFT），多数以CCFL背光为主，部份也延伸、跨涉至WLED背光。
 ▲NS的WLED驱动IC：LM27953、LM2796、及LM27961，其特点在使用极小的微SMD封装，且只有18个脚位，在封装体积的精巧度上堪称业界第一，从图中可知其适合于手机、PDA、MP3随身听、数字相机等应用。
■LCD Monitor、LCD TV（8.4"以上）
到了LCD Monitor（含Desktop PC与Laptop PC）与LCD TV这个层级，吋数已经突破7"，至少也有8.4"、12.1"，甚至多数都在15"、17"以上，到此层次WLED也有与PDA/PMP层次相同的光均度问题，且比中小吋数时更为严重，同时又衍生出散热问题及价格问题需要解决。
先说明散热问题，就大尺寸LCD的背光来说，由于要在低扁的空间中密布大量的WLED，WLED的发热将不易消散，这是CCFL之类的冷光源所没有的问题，且必须光均与散热两项都顾及，不能因散热可行但光度不均。此外，目前已有业者（如Sony）克服了WLED背光的散热问题，进而推出实际量产的LCD TV商品，但先行克服的业者也将散热技术申请专利，使其它业者难以仿效跟进，也让WLED背光用于大吋数产品的进度受阻。
其次是价格，目前WLED的单价成本仍因荧光粉专利技术而偏高，根据推估，在相同的大吋数背光需求下，使用WLED的成本将是CCFL的5倍，也因此现阶段Sony、Samsung等业者虽然有推出实际量产的WLED背光型LCD TV，但都诉求在高价位、高级品。所以价格也是WLED背光难普及于高吋数应用的一大原因，虽然在中小吋数的应用也有相同的价差问题，但却不如大吋数般地明显。
 ▲Sony高阶系列QUALIA 005大吋数平面电视：KDX-46Q005（46"）与KDX-40Q005（40"），即是使用WLED做为背光源。
同样的引申，WLED的用电效率不如CCFL，在小面积时也不是大问题，但背光面积加大后便让问题凸显，若应用的产品为Desktop PC Monitor或TV仍是可行，毕竟壁上的交流插座能充沛供电，但Laptop PC的电量有限，用电问题也就必须更加面对、克制。
此外我们也一直将一个问题暂略，如今在大吋数也就必须谈论，此即是WLED的混色及良率，Sony是对WLED进行高度严选才能成就WLED背光型LCD TV，此也必须提列到制程成本中，混色亦是WLED更本体性的问题考虑。
比较庆幸的是，WLED的亮度技术、发光效率等仍持续有幅度性成长、突破，如此相同面积内所用的WLED数目将逐渐减少，使散热问题不致更加严重。
 ▲MAXIM的WLED驱动IC：MAX1707，其WLED驱动电流最高可至610mA，且可同时以并联方式驱动3组LED应用，包括Main（主LCD显示屏的背光）、Sub or RGB（副显示屏的背光或其它颜色的LED灯号）、Flash（闪光灯）。
■结论
最后，我们可以归纳整理，WLED背光已相当适合用在中小吋数的LCD应用中，但对高吋数应用而言仍有许多挑战。 虽然有许多挑战，但业者仍会加紧积极克服，原因无他，RoHS法规是一大压力，除欧洲外其它国家也有类似的规范提案，或者是已经定案，如日本的「The Promotion of procurement of Eco-friendly Goods and Services」或中国大陆的「电子信息产品生产污染防治管理办法」，只是宽严性与实施脚步的差异。这些都迫使电子设计须尽速舍CCFL（气态照明）就WLED（固态照明）。 不过，WLED也并非是唯一的可行方案，业者也积极发展无汞型CCFL，或者是以「有机EL，亦称OLED」技术所实现的平面光源（面型发光，光均度胜过点型WLED与线型CCFL），无汞型CCFL若在价格、设计上与过往的传统CCFL高度兼容，或者OLED背光提前成熟等，都将挤压现有使用WLED背光的价值。  ▲CCFL虽然需要较高的驱动电压与交流电压才能运作，但也较无WLED背光在大尺寸运用时的光均问题与散热问题，且价格较低，图为鼎杰电子的CCFL。 |
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