次世代LCD背光元件發展趨勢(4)

前言：白光型發光二極體（White Light-Emitting Diode；WLED，也經常寫成：White LED）的出現，使LED擺脫過去只能用在指示燈號、霓虹燈飾等場合，開始往電子照明領域邁進，包括汽車的方向輔助燈、初階數位相機的閃光燈等都已能用WLED代替，更有甚者，已有業者將WLED的裸晶面積加大製造，從2×2mm擴增至5×5mm，增強其發光，使WLED也能用在汽車的主照燈上，只待審議核可便可上市。除此之外，WLED還有一項熱門的應用，即是充當LCD的背光源，以取代過往的冷陰極燈管（Cold Cathode Fluorescent Lamp；CCFL）。不過，現階段將WLED用於背光有其益也有其害，如何取益避害，將是電子工程設計者所關切的，本文以下就來說明幾種WLED背光設計的情境，並藉此瞭解箇中應有的注意及要領。■手機、數位相機（1.2"～2.5"）▲NS針對手持裝置所提出的LP3954晶片，該晶片具有WLED背光驅控、WLED閃光燈驅控等能力，此外也具有RGB LED控制、ADC類比數位轉換等功能。（圖片來源：National.com）一般而言，手機、數位相機（預覽窗）等裝置所配屬的LCD顯示器皆屬小尺寸，如2.2"、2.5"等，而有的掀蓋式手機還配有副顯示幕，副顯示幕較主幕來得小，約多在1.2"左右，以上這些小吋數的LCD若用WLED作為其背光源，只要簡單地將3～6顆WLED（使用顆數端視畫面大小而定）加以串並聯即可實現。WLED除了做手機、數位相機的LCD背光外也能有其他的用處，例如今日的手機在按鈕時也會發光，以方便使用者在暗處撥號（按鍵背光），或者來電時天線部位會發光提示，這些也都可用WLED，另外初階數位相機或帶有照相功能的手機，也開始用WLED充當閃光燈（約1～4顆），如此在單一裝置內使用更多顆的WLED，組件用量增加且一致化，在設計及製造的供應調度上都有益處。雖然小吋數LCD的背光只要簡單串並、排列3～6顆WLED即可，但進一步有兩個疑問：1.若同一裝置內有WLED型閃光燈，閃光燈需要比背光更高的驅動電流，甚至需要有預閃功能（防紅眼）。2.背光的亮度並非一成不變，有時會有節能模式的體貼設計，在省電模態下自動將背光亮度降低，或者允許使用者自行調整亮度。所以WLED背光的驅動電路不能只是簡單的On/Off設計，還必須有調節驅動電流（進而改變WLED亮度）的能力，且照相手機愈來愈多，數位相機使用WLED型閃光燈的機會也愈來愈高，因此對設計者而言必須設計2組WLED驅動電路，1組供WLED背光，1組供WLED閃光，同時2組都要有調整亮度的能力。由於這類型的設計需求愈來愈多，因此許多類比IC、電源管理IC的業者紛紛提出解決方案，即WLED驅動IC（英文稱為：White LED Driver），驅動IC可同時掌控WLED背光與WLED閃光，包括On/Off的亮滅控制、多段式亮度控制等，其中亮度控制只要改變流經WLED的電流量即可，流量大則亮度高，流量小則亮度低，改變方式可採電壓調整法或脈寬調變（Pulse Wide Modulation；PWM）法。所謂電壓調整法，在於改變WLED的驅動電壓，電壓高則流經WLED的電流量也會增加，進而增亮，反之亦然，然電壓調整法對電流量的操控不夠細膩，些微的電壓改變就會使電流量大幅變動，除非使用極細膩的電壓調整電路，但因此也會使成本與電路複雜度（體積）大增。相對的PWM法是改變WLED明滅的工作週期（Duty Cycle），以WLED的導通（點亮驅動）週期百分比、頻率來控制亮度，不僅可以細膩調整且成本、複雜度都較低，今日WLED驅動IC普遍採行此法來調整亮度。至於有哪些業者提供WLED驅動IC？答案是：現有類比IC、電源管理IC業者幾乎都有提供，如Linear、MAXIM、Micrel、NEC、NS、以及TI等。國內業者也有ARQUES（雅捷科技）、AIC（沛亨半導體）、AME（安茂微電子）、以及Richtek（立錡科技）等。另外也回到更前頭的疑問：用WLED取代CCFL有何優點？有何缺點？關於此先說明優點，WLED只要正向電壓即可驅動，且可以直接用鋰電池的3.6V來驅動，相對的CCFL需要交流電壓才能驅動，且要較高的驅動電壓（多在正負10V以上），所以電源不僅要反相還要升壓，供電設計的複雜性高過WLED。至於缺點，目前WLED的用電效率仍不如CCFL，因此手持裝置在相同的電池電容量下，WLED作法將較CCFL耗電，使裝置待機時間縮短，不過今日手持裝置的應用愈來愈多，其他環節的用電也在成長（如手機照相閃光燈、手機數位電視、手機3D電玩、手機MP3隨身聽等），背光部份的成長有時反成為次要問題。當然！WLED還有其他優點，例如沒有使用有害物質，容易通過歐盟訂立的RoHS法規，相對的CCFL是運用汞氣體（水銀蒸氣）發光，鉛、汞等有害物將逐步受各國市場限制。另外WLED對衝撞較具抗受性，反之以光管方式發光的CCFL一旦受衝撞破裂，就無法再行發光。也因此今日有許多礦工的配屬頭燈已改用WLED，此在嚴苛、多撞擊的工作環境、場合中格外受用。附註：歐盟於2003年2月13日發佈WEEE（Waste Electronics and Electrical Equipment）與RoHS（Restriction of Hazardous Substances Directive）兩項規定，其中RoHS規定：自2006年7月1日起銷往歐洲的商品不得用有害物質，包括鉛、汞、六價鉻、PBB（多溴聯苯）、及PBDE（多溴二苯醚）等，這也是今日晶片封裝積極去鉛化（Lead-Free）的原因之一。■PDA、PMP（3.5"～7"）比手機、數位相機更大顯示尺寸的手持裝置有個人數位助理（Personal Digital Assistant；PDA）、可攜式媒體播放器（Portable Media Player；PMP）等，當然也包括電子字典、股票機、掌上型遊樂器，這些約在3.5"、3.7"左右，最高也有到7"的規格。由於尺寸更大，礙於光均度的問題，不適合再以WLED的直接配置來形成背光，這時需改用背光模組（Back Light Module），模組已將WLED光源運用折射、導光板及其他相關工藝技術來處理光均度問題，而PDA、PMP的產品設計者則多採直接向模組業者購買WLED背光模組，事實上PDA、PMP設計者過去也是向模組業者購買CCFL背光模組，而非CCFL光管組件，直接引用半成品以加速設計。不過，依然有些設計業者傾向不用現成的WLED背光模組，而使用更多顆的WLED（如6～9顆）來形成背光，並以實體配置排列及穩壓穩流等控制來維持光均（電壓需要穩定，否則也無法掌控電流量，進而讓亮度不均）。另外從學理看，WLED屬點光源，而CCFL屬線光源（光管），在光均克服上確實WLED難於CCFL，只是這個技術難題是交由模組業者解決？還是由PDA/PMP設計者親自解決？就依設計者的把握度、時間、成本等因素而定。至於國內外有哪些WLED背光模組業者？目前多是從原有CCFL背光模組業者所嘗試延伸，畢竟都是為了提供LCD用的背光。而仔細一覽，會發現國外的LCD背光模組業者幾乎都屬日系，如Stanley電氣、Denyo、茶谷產業、富士通化成、多摩電氣等。至於國內方面，也有瑞儀光電（技術來自茶谷，大同子公司）、福華電子（技術來自茶谷）、華新麗華（技術來自Denyo）、華榮電纜（技術來自富士通化成）、興隆發電子（技術來自桐生）、中強光電、輔祥實業、科橋電子、定瑩光電、優技電腦、云光科技、精工美術、奈普光電（錸德投資）、和立聯合、康竣光電、元津科技等業者投入LCD背光（包括STN與TFT），多數以CCFL背光為主，部份也延伸、跨涉至WLED背光。▲NS的WLED驅動IC：LM27953、LM2796、及LM27961，其特點在使用極小的微SMD封裝，且只有18個腳位，在封裝體積的精巧度上堪稱業界第一，從圖中可知其適合於手機、PDA、MP3隨身聽、數位相機等應用。（圖片來源：National.com）■LCD Monitor、LCD TV（8.4"以上）到了LCD Monitor（含Desktop PC與Laptop PC）與LCD TV這個層級，吋數已經突破7"，至少也有8.4"、12.1"，甚至多數都在15"、17"以上，到此層次WLED也有與PDA/PMP層次相同的光均度問題，且比中小吋數時更為嚴重，同時又衍生出散熱問題及價格問題需要解決。先說明散熱問題，就大尺寸LCD的背光來說，由於要在低扁的空間中密佈大量的WLED，WLED的發熱將不易消散，這是CCFL之類的冷光源所沒有的問題，且必須光均與散熱兩項都顧及，不能因散熱可行但光度不均。此外，目前已有業者（如Sony）克服了WLED背光的散熱問題，進而推出實際量產的LCD TV商品，但先行克服的業者也將散熱技術申請專利，使其他業者難以仿效跟進，也讓WLED背光用於大吋數產品的進度受阻。其次是價格，目前WLED的單價成本仍因螢光粉專利技術而偏高，根據推估，在相同的大吋數背光需求下，使用WLED的成本將是CCFL的5倍，也因此現階段Sony、Samsung等業者雖然有推出實際量產的WLED背光型LCD TV，但都訴求在高價位、高級品。所以價格也是WLED背光難普及於高吋數應用的一大原因，雖然在中小吋數的應用也有相同的價差問題，但卻不如大吋數般地明顯。▲Sony高階系列QUALIA 005大吋數平面電視：KDX-46Q005（46"）與KDX-40Q005（40"），即是使用WLED做為背光源。（圖片來源：Sony.jp）同樣的引申，WLED的用電效率不如CCFL，在小面積時也不是大問題，但背光面積加大後便讓問題凸顯，若應用的產品為Desktop PC Monitor或TV仍是可行，畢竟壁上的交流插座能充沛供電，但Laptop PC的電量有限，用電問題也就必須更加面對、克制。此外我們也一直將一個問題暫略，如今在大吋數也就必須談論，此即是WLED的混色及良率，Sony是對WLED進行高度嚴選才能成就WLED背光型LCD TV，此也必須提列到製程成本中，混色亦是WLED更本體性的問題考慮。比較慶幸的是，WLED的亮度技術、發光效率等仍持續有幅度性成長、突破，如此相同面積內所用的WLED數目將逐漸減少，使散熱問題不致更加嚴重。▲MAXIM的WLED驅動IC：MAX1707，其WLED驅動電流最高可至610mA，且可同時以並聯方式驅動3組LED應用，包括Main（主LCD顯示幕的背光）、Sub or RGB（副顯示幕的背光或其他顏色的LED燈號）、Flash（閃光燈）。（圖片來源：Maxim-IC.com）■結論最後，我們可以歸納整理，WLED背光已相當適合用在中小吋數的LCD應用中，但對高吋數應用而言仍有許多挑戰。雖然有許多挑戰，但業者仍會加緊積極克服，原因無他，RoHS法規是一大壓力，除歐洲外其他國家也有類似的規範提案，或者是已經定案，如日本的「The Promotion of procurement of Eco-friendly Goods and Services」或中國大陸的「電子信息產品生產污染防治管理辦法」，只是寬嚴性與實施腳步的差異。這些都迫使電子設計須儘速捨CCFL（氣態照明）就WLED（固態照明）。不過，WLED也並非是唯一的可行方案，業者也積極發展無汞型CCFL，或者是以「有機EL，亦稱OLED」技術所實現的平面光源（面型發光，光均度勝過點型WLED與線型CCFL），無汞型CCFL若在價格、設計上與過往的傳統CCFL高度相容，或者OLED背光提前成熟等，都將擠壓現有使用WLED背光的價值。