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高溫會導致電子元器件的失效概率迅速加大,從而導致led顯示屏的可靠度下降。為了控制led顯示屏內(nèi)部電子元器件的溫度,使其在led顯示屏所處的工作環(huán)境條件下,不超過規(guī)定的最高允許溫度,需要進行led顯示屏的散熱設(shè)計。led顯示屏的散熱設(shè)計,怎樣才能低成本、高質(zhì)量,是本文探討的內(nèi)容。
一、散熱設(shè)計的相關(guān)知識
熱量傳遞的兩個基本規(guī)律:熱量是從高溫區(qū)流向低溫區(qū);高溫區(qū)發(fā)出的熱量等于低溫區(qū)吸收的熱量。
熱量的傳遞有三種基本方式:導熱、對流和輻射。
導熱:氣體導熱是由氣體分子不規(guī)則運動時互相碰撞的結(jié)果。金屬導體中的導熱主要靠自由電子的運動來完成。非導電固體中的導熱是通過晶格結(jié)構(gòu)的振動實現(xiàn)的。液體中的導熱機理主要靠彈性波的作用。
對流:指流體各部分之間發(fā)生相對位移時所引起的熱量傳遞過程。對流僅發(fā)生在流體中,且必然伴隨著有導熱現(xiàn)象。流體流過某物體表面時所發(fā)生的熱交換過程,稱為對流換熱。由流體冷熱各部分的密度不同所引起的對流稱自然對流。若流體的運動由外力(風扇等)引起的,則稱為強迫對流。
輻射:物體以電磁波形式傳遞能力的過程稱為熱輻射。輻射能在真空中傳遞能量,且有能量形式的轉(zhuǎn)換,即熱能轉(zhuǎn)換為輻射能及輻射能轉(zhuǎn)換成熱能。
選擇散熱方式時,應考慮下列因素:led顯示屏的熱流密度、體積功率密度、總功耗、表面積、體積、工作環(huán)境條件(溫度、濕度、氣壓、塵埃等)等。
按傳熱機理,有自然冷卻、強迫空氣冷卻、直接液體冷卻;蒸發(fā)冷卻;熱電致冷;熱管傳熱等散熱方式。
二、led顯示屏的散熱設(shè)計方法
從實際應用中可知,目前led顯示屏內(nèi)部發(fā)熱比較多,發(fā)熱較多的電子零部件為:LED、驅(qū)動IC、開關(guān)電源。因此,需要對led顯示屏進行散熱設(shè)計,在熱源與外部環(huán)境之間提供一條低熱阻通路,保證熱量順利傳遞出去。
物體溫度低于1800℃時,有意義的熱輻射波長位于0.38~100μm之間,且大部分能量位于紅外波段0.76~20μm范圍內(nèi),在可見光波段內(nèi),熱輻射能量比重并不大。因此,led顯示屏內(nèi)部可以隨意涂敷各種顏色。太陽光直射的led顯示屏外部,需涂覆成淺色,避免可見光吸收。
從led顯示屏的使用情況考慮,租賃屏、戶內(nèi)固定安裝屏多用自然冷卻散熱的方法,戶外固定安裝屏多用強迫空氣冷卻散熱的方法。
戶外固定安裝led顯示屏,在整個屏幕安裝時,就要考慮散熱設(shè)計。受安裝地點的限制,隨著led顯示屏功耗的降低,越來越多的客戶將led顯示屏在戶外裸裝,同時沒有其他的輔助散熱措施。對led顯示屏大屏幕來說,只有自然冷卻散熱的方式,散熱能力比較差。因此,led顯示屏箱體的散熱設(shè)計顯得尤為重要。從led顯示屏箱體使用可靠性、維護成本等多個角度綜合考慮,用風扇進行強迫對流冷卻散熱,是比較好的散熱方式。
發(fā)熱電子零部件與冷風的熱交換面積,發(fā)熱電子零部件與冷風的溫度差,直接影響散熱效果。這就涉及進入led顯示屏箱體的風量大小設(shè)計,風道的設(shè)計。通風管道設(shè)計時,盡量采用直管道輸送空氣,避免采用急劇拐彎和彎曲的管道。通風管道應避免驟然擴展或驟然收縮。擴展的張角不要超過20º,收縮的錐角不要大于60º。通風管道應盡量密封,所有搭接都應順著流動方向。
led顯示屏箱體設(shè)計時,有幾點需注意:進氣孔應設(shè)置在箱體下側(cè),但不要過低,以免污物和水進入安裝在地面的箱體內(nèi)。排氣孔應設(shè)置在靠近箱體的上側(cè)?諝鈶韵潴w下方向上方循環(huán),應采用專用的進氣孔或排氣孔。應使冷卻空氣從發(fā)熱電子零部件中流過,同時需防止氣流短路。進氣孔、出氣處需設(shè)置過濾網(wǎng),以防雜物進入箱體。設(shè)計時應使自然對流有助于強迫對流。設(shè)計時需確保進氣口與排氣口遠離。要避免重復使用冷卻空氣。考慮到空氣受熱體積膨脹的因素,出風口面積應為進風口面積的1.5倍-2倍。開關(guān)電源等發(fā)熱較大的電子零部件,應盡量靠近進風口。要保證散熱器齒槽方向與風向平行,散熱器齒槽不能阻擋風路。
風扇安裝在系統(tǒng)中,由于結(jié)構(gòu)限制,進風口和出風口常常會受到各種阻擋,其性能曲線會發(fā)生變化。根據(jù)實際經(jīng)驗,風扇的進出風口最好與阻擋物有40mm的距離,如果有空間限制,也應至少有20mm。
選擇風扇一般以風扇進出口風溫的大小作為限制條件。對于抽風的情況,由于風扇抽出的是熱風,對風扇的壽命將產(chǎn)生嚴重的影響。對風扇廠家,一般均以60℃作為標定風扇壽命MTBF的條件,如果風扇應用的環(huán)境溫度高于60℃,則溫度每升高5℃,風扇壽命下降一半。
送風不均勻,吹風有一定的方向性,局部換熱強烈,適用于發(fā)熱器件比較集中的情況。
送風均勻,適用于發(fā)熱器件分布比較均勻,風道比較復雜的情況。
風扇出口附近氣流主要為紊流流動
進入風扇的流動主要為層流狀態(tài)。
風扇工作在較低的空氣溫度下,風扇壽命較長。
風扇在出風口高溫下氣流工作,壽命會受影響。
吹風時在箱體內(nèi)形成正壓,可以防止縫隙中的灰塵進入箱體。
機柜內(nèi)形成負壓,縫隙中的灰塵會進入箱體內(nèi)。
箱體內(nèi)模組的散熱設(shè)計,也是需要考慮的。不良的散熱設(shè)計,會使顯示效果不佳,出現(xiàn)色斑情況。在PCB上放置發(fā)熱元器件時,盡量考慮熱量的均勻分布,不要將發(fā)熱多的元器件聚集在PCB的某個局部。
三、led顯示屏散熱設(shè)計實例
led顯示屏大屏幕的散熱方式為自然冷卻散熱。綜合散熱成本、質(zhì)量考慮,led顯示屏箱體的散熱方式為風扇空氣強迫致冷散熱。
先來計算空氣對流量, 計算公式為L=Wr/( Cρ(tn- tl))L:空氣對流量,m3/s;Wr:空氣強迫冷卻散熱量;C:空氣的比熱容,kJ/(kg℃);ρ:空氣的密度,kg/m3; tn:箱體內(nèi)部溫度,℃;tl:降溫系統(tǒng)輸入的冷空氣溫度,℃
根據(jù)上面的公式,可以知道,如果要保證led顯示屏箱體內(nèi)部空氣溫度不超過tn℃,降溫系統(tǒng)需要輸入冷空氣的進風量為Wr/( Cρ(tn- tl))m3/s。
假設(shè)led顯示屏箱體需要散熱的熱量為W,考慮到自然冷卻散熱、輻射散熱在箱體的整個散熱過程中起到的作用非常小,將W考慮為空氣強迫冷卻散熱量。精確計算led顯示屏的內(nèi)部發(fā)熱量,在工程上不太容易實現(xiàn),通常采用估算法。由經(jīng)驗可知:在以最大亮度播放靜止白色畫面時,A1688發(fā)熱功率約為300W,即Wr=0.3KW。通常情況下,led顯示屏中,LED光源的發(fā)熱量占整屏發(fā)熱量約45%、驅(qū)動部分發(fā)熱占整屏發(fā)熱量約50%、控制器及連接線等占整屏發(fā)熱量約5%。
空氣的比熱容、空氣的密度,與空氣的溫度、濕度、壓力有關(guān)。查當?shù)氐臍v史氣候數(shù)據(jù),考慮到最不利的氣候條件,確定C=0.7 kJ/(kg℃)、ρ=0.7 kg/m3。
箱體內(nèi)部溫度tn,是指箱體內(nèi)的最高空氣溫度,通常在箱體的上部。查開關(guān)電源、驅(qū)動IC等電子零部件的規(guī)格書,確定tn為60℃。
根據(jù)當?shù)貧夂蛸Y料及安裝特點,確定降溫系統(tǒng)輸入的冷空氣溫度tl為40℃。
L=0.3/(0.7*0.7*(60-40))=0.031 m3/s
再來計算風扇處開口面積及風扇選型。
根據(jù)安裝地點的情況,采用通過風扇鼓風的散熱方式。
選用常用的風扇,風量為50CFM,換算為0.023 m3/s。因此,選用兩個風扇鼓風。
四、結(jié)論
高溫對led顯示屏的可靠性影響較大,需要做散熱設(shè)計。戶外固定安裝的led顯示屏,需從大屏幕的散熱設(shè)計開始,再進行箱體的散熱設(shè)計、模組的散熱設(shè)計。散熱設(shè)計,需要先做方案,計算無問題后再做原型機測試驗證。測試驗證無問題的led顯示屏,才會在實際工作中不出現(xiàn)高溫問題。
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