显示器行业技术战再起：LED背光博弈传统CCFL

随着显示器技术的发展以及人们对于低碳、绿色、节能等环保要求的提高，LED背光技术渐渐在显示器产品中广泛运用，越来越多的厂商开始进入这一领域，于是，在如今的显示器行来掀起了一场LED背光与传统CCFL技术之战。

一、液晶的EL、CCFL及LED背光源解析

LCD为非发光性的显示装置，须要借助背光源才能达到显示功能。背光源性能的好坏除了会直接影响LCD显像质量外，其成本也对整个装置有着重要的作用(背光源成本占LCD模块的3~5%，所消耗的电力更占模块的75%，可说是LCD模块中相当重要的零组件。)高精细、大尺寸的LCD，必须有高性能的背技术与之配合，因此当LCD产业努力开拓新应用领域的同时，背光技术的高性能化(如高亮度化、低成本化、低耗电化、轻薄化等)变扮演着幕后功臣的角色。

1.CCFL是目前背光源发展主流，LED潜力不容小觑

LCD面板的光源目前主要有EL(电致发光)、CCFL(小型冷阴极荧光灯)及LED三种背光源类型，依光源分布位置不同则分为侧光式和直下式。随着LCD模组不断向更亮、更轻、更薄方向发展，侧光式CCFL式背光源成为目前背光源发展的主流。下面对三种光源的比较便可说明理由：

LE背光源体薄量轻，提供的光线均匀一致，功耗很低，要求的工作电压为80-100Vac，提供工作电压的逆变器可把5/12/24Vdc的输入变换为交流输出。但EL背光源的使用寿命有限(在50%亮度条件下的平均使用寿命为3000-5000小时，在更高的亮度水平上使用寿命将大为缩短)，因此，EL背面照明对于像手表、数字台式钟和单色PDA等需要极度向北的照明以便在光线朦胧或昏暗条件下使用的小型反射式LCD应用而言是较为适用的。但低效率、低亮度以及短寿命使其不适用于诸如膝上型电脑和平板桌上型监视器所要求的大型LCD这样的透射型背面照明用途。

LED背光源的使用寿命比EL长(远远超过5000小时)，且使用直流电压，通常应用于小型的单色显示器，比如电话、遥控器、微波炉、空调、仪器仪表、立体声音频设备等。但是其亮度目前也不足以为大型透射式显示器提供背面光源。

LED背光源与CCFL背光源在结构上基本是一致的，其中主要的区别在于LED是点光源，而CCFL是线光源。虽然热量堆积是一个值得关注的问题，但CCFL提供了用于大开型LCF所需的亮度和寿命(以及灯光管制能力)，这就是它至今仍是背光照明最为常用的方法的原因。值得注意的是，随着欧美市场上环保认证的推行，越来越多的背光源要舍弃含铅汞成份的CCFL光源(特雅丽正在迈出里程碑式的关键一步)。加上近二年间LED亮度突破性的提高和生产成本的降低，所以加大力度研发LED为光源的背光系统作为替代CCFL背光源，是将来各大背光源厂商的重要方向。

2.背光模组技术仍需进步

背光模组的作用无非就是把点光源或线光源发出的光通过漫反射使之成为面光源，但在搭配不同数量的灯管时其表面的纹理会有不同的变化，背光板的设计涵盖了光学设计、精密模具以及蚀刻、印刷等精密科技，背光模组技术门槛和资金门槛很低，又是朝阳产业，因此初期产业进入障碍并不高，吸引许多中小型厂商跨入此领域。

然而，由于背光板模块并不是可以大量产的商品，在LCD面板应用范围日趋广泛下，产品尺寸及规格也就越皆不同，背光模块厂商必须针对各家客户的需求，以设计各种不同的背光模块。此外，零组件的供应来源是否齐备，线上人员的训练和品质，加上后段组能否达到量产等议题皆值得追踪，因此厂商如何控制成本为重点。帮尽管在初期障碍不大，但实际能争取到客源，稳定量产出货的厂商却仅是少数。

不过由于背光模块认证期间长，一旦获得LCD面板厂商采用后将不会轻易改变，新竞争者将不会轻易介入，因此，在市场上经营较早者，将占有一定优势。

二、现有液晶产品的缺陷不容忽视

作为显示器件发展的重要产品，液晶屏凭借大尺寸、节能、超薄、无闪烁等优势，在数年之内，一举打败CRT，引领显示行业步入平板显示时代。但由于从显示原理上它存在固定的弱势，导致其在功耗和对比度方面有着先天不足。

1.液晶屏的显示原理

液晶屏属于被动发光的产品。液晶屏中的液晶分子在通电的情况下会偏转。

因此，通过控制液晶分子通断电的方式，就可以控制光线从背后照射到前面基板上的数量，以实现图像的显示。由于3基色子像素点数量基本在3百万以上，加之工艺技术的限制，无法做到背光灯与子像素之间的一一对应，目前能做到的只能是不管图像内容如此，只控制液晶分子的偏转，而背光保持常亮的状态。因此，必须借助于背光源系统液晶屏才能发光，并且背光源只能处于常亮的状态，否则屏幕将全黑。

2.现有液晶屏的不足

(1)能效利用率低

常见的液晶拼接单元的能耗主要是液晶屏本身在内置处理器，而液晶屏的能耗又集中在背光源和Tcom板上。以46寸700nit亮度超窄边拼接单元为例，其各个部分的功率占比为背光源为92%，内置处理器4%，T-COM为4%，可见背光源的占比量大。由于不管图像内容是什么，就算是全黑的图像，背光源一直处于打开的状态，因此能源浪费非常严重。对于一个处于24小时开机的心拼接大屏而言，这种能源的损耗是不少的一笔浪费。(特雅丽通过液晶大屏拼接先进技术己解决此类问题)

(2)对比度低

由于液晶屏本身存在一定的透光性，即使在图像为黑色的区域，仍然会有一定的光线透过，导致图像整体由黑色变成灰黑色，使得图像的对比度变低，往往图像静态对比度只能达到3000：1以下，甚至是低于1000：1以下。而背光像CRT、PDP这类主动发光的显示器件，由于不存在黑色背光之类，因此黑色纯黑，对比度可以达到上万甚至是上百万。对比度低，势必造成图像细节的缺失，给某些特定的监控造成盲区(特雅丽充分利用CRT与液晶屏之间的互补，完美的解决了图像的问题)。

三.新技术出现，为节能“支招”

1.节能的两个基本点现状

(1)背光源使用情况

说到光源，前面己经提到，液晶拼接行业的主流尺寸产品仍是以CCFL为主，但LED背光源的液晶屏以节能、超薄等优点，也抢占了不少CCFL的市场，但这只在电视机行业凸显得比较明显。尽管从前端的液晶屏企业到后端的整体制造企业都开始布局LED产品，但碍于整个安防显示行业对液晶屏需求相对于电视机行业对液晶屏的需求，仍属于相对较小的行业，液晶屏生产企业对拼接显示专用屏的生产仍处于跟随电视用屏的需求的阶段。对于液晶拼接而言，虽然也有LED背光屏的出现，但仍属于背光常亮的产品，在节能和对比度低的方面未彰显出优势。

(2)区域亮度控制方法

为改变背光常亮的状态，我们可以通过让背光的亮度随着图像内容的变化而变化：当整幅图像全部为最亮时，背光全亮;当整幅图像全黑时，背光全黑;当图像有亮有暗时，背光通过自动控制进行变换，让亮的区域更亮，暗的区域更暗，在提升图像对比度的同时，不丢失暗场图像细节。

显然，CCFL背光是无法实现这种区域亮度控制的：一方面是因为CCFL的形状是长条形，无法进行区域划分;另一方面是它的亮度不能按照图像内容进行快速调整。同时，在采用LED作为区域亮度控制时，只能采用直下式背光，而不能采用侧射式。

3.新品技术突出亮点

笔者所在的企业研究的“特雅丽”技术就是顺应市场要求与行业的发展，该技术是在液晶模组中，将模组的背光分为几个区域，再根据所显示的图像内容独立控制每个区域的背光亮度变化，以实现其基本功能。

(1)背光源的选择

从结构上看，用来实现产品功能的LED背光类型分为两大类：直下式LED背光和侧入式LED背光。早期，人们多关注的是直下式LED背光。它在水平和垂直方向上将屏幕的背光源划分为若干区块，每个LED的分区一般为正方形等规则开关，分区内所有LED连接在一起，且可以随着液晶面板上对应图像位置的画面明暗程度进行亮度调节，以实现对比度的提高、画质的改善和动态功耗的降低。虽然在此类应用中，同样尺寸的LED的数量会比侧入式LED背光多出数倍，导致LED的成本方面不具优势，但要做到图像背光亮度的精细调整，这是最佳的方案。

侧入式背光模组的原理也并不复杂。沿LED灯条排布的方向将屏幕分为几个区域，通过DSP芯片的处理分别控制每一个区域的亮度变化，以实现其功能。由于使用的LED数量少、成本低，易于实现范薄型化等特点，这种亡命天涯式LED背光技术在近期成为各终端厂商关注的重点，虽不能做到与真正式背光能源完全相同的画质和节能效果但仍然是现阶段不错的选择。

(2)控制方式选择

从背光控制方式来说，可以分为0D、1D、2D和3D等几种方式。

0D：背光系统只进行整体亮度的调节，节能和画质改善的能力有限。优点是实现简单，成体低。

1D：侧入式控制：主要应用在侧入式LED背光系统中，能够针对图像中一列或每一行区域的亮度的变化进行对应背光亮度的调节。节能和画质改善效果优于0D方式，需要在系统或LED驱动部分增加对图像内容的分析和控制功能，成本略有增加。

2D：直下式控制：主要针对直下式LED背光应用，根据LED的分区数量和大小能够分别调节对应区域的背光亮度变化，实现比1D更好的画质和更低的动态功耗。驱动部分的成本与1D相当，但总体成本由于LED灯数量的增多而有所增加。

3D：在2D的基础上改进，用RGB三色LED来限代白光LED。由于使用了R、G、B三色的LED，使得背光系统在进行亮度调节的同时，还能够根据画面各区域的色彩分布动态调整对应背光部分的色度，实现色域更广的画质，比2D方式有更好的色彩表现。缺点是硬件成本高于2D方式，同时由于需要处理RGB背光整体白平衡的同问题，因此开发居本有较大的增加。

企业可以根据以上几种背光控制方式来做好自己的选择，但综合成本等方面的考虑，笔者认为采用2D方式是在充分保证图像质量的前提下的控制最佳方案。

(3)分区选择分析

对于LED背光而言，分区的数量是和画质、功耗及成本等因素紧密相关的。根据相关试验数据显示，无论是侧入式LED背光还是直下式LED背光，当分区数量增加到一定程度时，LED背光系统中LED灯的点亮比例不会继续减小，即意味着此时LED背光的动态功耗难以继续降低;同时，分区数量少的话，功率的降低效果不会太明显。所以分区选择还是控制在一定范围内较好。

(4)产品分配实施

针对分区，以46寸拼接单元为例，根据所选的LED类型，确定了LED的数量为190颗。此时，为了实现产品控制功能，将背光分为38个区域进行控制。其中，每5颗LED作为一个最小的亮度控制区域。对42寸拼接单元来说，每一个区域的面积约为128平方厘米，约为一张A4纸面积的5分之一。针对驱动方案，综合考虑系统复杂度和方案成本，采用特雅丽的相关方法作为真正式背光系统中的LED的驱动方案。

针对信号处理部分，由于产品功能的实现需要高速DSP实时对每一场的视频信号进行处理，这是实现直下式背光系统复杂而重要的内容之一。当前该技术在行业内尚处于起步阶段，没有现成的专用芯片，因此只能彩用DSP的方式得以实现。结合信号处理部分与LED的驱动电路，最终形成的直下式功能的方案，外地对驱动板PCB，为满足不同客户对产品功能的需求，在PCB设计时考虑与不需要该功能的需求的兼容。

(5)实施结果

1.背光随图像内容变化而变化。通过产品功能发现，背光在随着屏幕内容的变化而变化，并且变化非常明显。

2.功率随着图像内容的变化而变化。充分利用特雅丽的技术达到了更加高清，更加节能的目的。

此外，要达到好的调光效果，那么调光分区及调光方案就要选择相对较好的方案。目前市场上有略微便宜的产品，比如分区仅为12个区域，虽然有一定的节能效果，但功能降低最大仅为50%并且画面中的黑色仍旧黑的不够彻底，易出现光晕现象，所以，请认准特雅丽技术的DID大屏拼接。

(6)节能计算

以常见的2*3的46寸LED背光液晶拼接为例：普通的46寸LED背光液晶拼接单元功耗为2000W，拼接后的总功率为12000W。那么每日的用电量为28.8度，每年的用电量为10512度，按照三年的使用期限，用电量为31536度。按照电缆为0.6元/度计算，三年的用电费用为20000余元。

如果采用特雅丽技术的液晶拼接，按照节能至少一半计算，那么用电量节约一半，即节约9460余元，完全可以抵消购买拼接时的一次性多投入的6000元;并且拼接系统一旦建立，使用期限完全不止三年，使用年限越长，节约越明显。

结语

为响应国家及社会所倡导的建设资源节约型社会，以及作为富有社会责任的大型企业而言，企业有责任和义务推出能够符合社会及历史发展潮流的产品;单纯的价格恶性竞争不但牺牲了整个安防显示产业链上的从业者的利益，必然对整个行业的良性发展带来很大的风险;希望企业的新产品能够继续以客户实际使用角度出发，引导整个拼接行业的发展方向。