LED顯示屏的散熱設計

　　高溫會(huì )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(guò)規定的最高允許溫度，需要進(jìn)行LED顯示屏的散熱設計。LED顯示屏的散熱設計，怎樣才能低成本、高質(zhì)量，是本文探討的內容。

　　一、散熱設計的相關(guān)知識

　　熱量傳遞的兩個(gè)基本規律：熱量是從高溫區流向低溫區；高溫區發(fā)出的熱量等于低溫區吸收的熱量。

　　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則運動(dòng)時(shí)互相碰撞的結果。金屬導體中的導熱主要靠自由電子的運動(dòng)來(lái)完成。非導電固體中的導熱是通過(guò)晶格結構的振動(dòng)實(shí)現的。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(shí)所引起的熱量傳遞過(guò)程。對流僅發(fā)生在流體中，且必然伴隨著(zhù)有導熱現象。流體流過(guò)某物體表面時(shí)所發(fā)生的熱交換過(guò)程，稱(chēng)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(chēng)自然對流。若流體的運動(dòng)由外力（風(fēng)扇等）引起的，則稱(chēng)為強迫對流。

　　輻射：物體以電磁波形式傳遞能力的過(guò)程稱(chēng)為熱輻射。輻射能在真空中傳遞能量，且有能量形式的轉換，即熱能轉換為輻射能及輻射能轉換成熱能。

　　選擇散熱方式時(shí)，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。

　　常見(jiàn)的幾種散熱方法對比如下：

　　自然冷卻強迫空氣冷卻直接液體冷卻蒸發(fā)冷卻

　　散熱能力W/cm？（溫升為40℃時(shí)）0.040.30.61.1

　　實(shí)現容易較容易較困難困難

　　重量或體積高中低低

　　噪音或振動(dòng)無(wú)高低低

　　功耗無(wú)高低低

　　費用低中高高

　　維修性容易較容易較困難困難

　　從上表可看出，自然冷卻的散熱效果比較小，蒸發(fā)冷卻的散熱效果比較大。人體出汗降溫，用的就是蒸發(fā)冷卻的散熱方法。

　　二、LED顯示屏的散熱設計方法

　　從實(shí)際應用中可知，目前LED顯示屏內部發(fā)熱比較多，發(fā)熱較多的電子零部件為：LED、驅動(dòng)IC、開(kāi)關(guān)電源。因此，需要對LED顯示屏進(jìn)行散熱設計，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(shí)，有意義的熱輻射波長(cháng)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，在可見(jiàn)光波段內，熱輻射能量比重并不大。因此，LED顯示屏內部可以隨意涂敷各種顏色。太陽(yáng)光直射的LED顯示屏外部，需涂覆成淺色，避免可見(jiàn)光吸收。

　　從LED顯示屏的使用情況考慮，租賃屏、戶(hù)內固定安裝屏多用自然冷卻散熱的方法，戶(hù)外固定安裝屏多用強迫空氣冷卻散熱的方法。

　　戶(hù)外固定安裝LED顯示屏，在整個(gè)屏幕安裝時(shí)，就要考慮散熱設計。受安裝地點(diǎn)的限制，隨著(zhù)LED顯示屏功耗的降低，越來(lái)越多的客戶(hù)將LED顯示屏在戶(hù)外裸裝，同時(shí)沒(méi)有其他的輔助散熱措施。對LED顯示屏大屏幕來(lái)說(shuō)，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(gè)角度綜合考慮，用風(fēng)扇進(jìn)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(fēng)的熱交換面積，發(fā)熱電子零部件與冷風(fēng)的溫度差，直接影響散熱效果。這就涉及進(jìn)入LED顯示屏箱體的風(fēng)量大小設計，風(fēng)道的設計。通風(fēng)管道設計時(shí)，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(fēng)管道應避免驟然擴展或驟然收縮。擴展的張角不要超過(guò)20？，收縮的錐角不要大于60？。通風(fēng)管道應盡量密封，所有搭接都應順著(zhù)流動(dòng)方向。

　　LED顯示屏箱體設計時(shí)，有幾點(diǎn)需注意：進(jìn)氣孔應設置在箱體下側，但不要過(guò)低，以免污物和水進(jìn)入安裝在地面的箱體內。排氣孔應設置在靠近箱體的上側?？諝鈶韵潴w下方向上方循環(huán)，應采用專(zhuān)用的進(jìn)氣孔或排氣孔。應使冷卻空氣從發(fā)熱電子零部件中流過(guò)，同時(shí)需防止氣流短路。進(jìn)氣孔、出氣處需設置過(guò)濾網(wǎng)，以防雜物進(jìn)入箱體。設計時(shí)應使自然對流有助于強迫對流。設計時(shí)需確保進(jìn)氣口與排氣口遠離。要避免重復使用冷卻空氣?？紤]到空氣受熱體積膨脹的因素，出風(fēng)口面積應為進(jìn)風(fēng)口面積的1.5倍-2倍。開(kāi)關(guān)電源等發(fā)熱較大的電子零部件，應盡量靠近進(jìn)風(fēng)口。要保證散熱器齒槽方向與風(fēng)向平行，散熱器齒槽不能阻擋風(fēng)路。

　　風(fēng)扇安裝在系統中，由于結構限制，進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口常常會(huì )受到各種阻擋，其性能曲線(xiàn)會(huì )發(fā)生變化。根據實(shí)際經(jīng)驗，風(fēng)扇的進(jìn)出風(fēng)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(fēng)扇一般以風(fēng)扇進(jìn)出口風(fēng)溫的大小作為限制條件。對于抽風(fēng)的情況，由于風(fēng)扇抽出的是熱風(fēng)，對風(fēng)扇的壽命將產(chǎn)生嚴重的影響。對風(fēng)扇廠(chǎng)家，一般均以60℃作為標定風(fēng)扇壽命MTBF的條件，如果風(fēng)扇應用的環(huán)境溫度高于60℃，則溫度每升高5℃，風(fēng)扇壽命下降一半。

　　考慮采用抽風(fēng)還是吹風(fēng)方式時(shí)，可以參考下表的吹風(fēng)與抽風(fēng)方式對比。

　　1送風(fēng)不均勻，吹風(fēng)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(fēng)均勻，適用于發(fā)熱器件分布比較均勻，風(fēng)道比較復雜的情況。

　　2風(fēng)扇出口附近氣流主要為紊流流動(dòng)進(jìn)入風(fēng)扇的流動(dòng)主要為層流狀態(tài)。

　　3風(fēng)扇工作在較低的空氣溫度下，風(fēng)扇壽命較長(cháng)。風(fēng)扇在出風(fēng)口高溫下氣流工作，壽命會(huì )受影響。

　　4吹風(fēng)時(shí)在箱體內形成正壓，可以防止縫隙中的灰塵進(jìn)入箱體。機柜內形成負壓，縫隙中的灰塵會(huì )進(jìn)入箱體內。

　　箱體內模組的散熱設計，也是需要考慮的。不良的散熱設計，會(huì )使顯示效果不佳，出現色斑情況。在PCB上放置發(fā)熱元器件時(shí)，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(gè)局部。

　　下圖為散熱設計的流程圖

　　三、LED顯示屏散熱設計實(shí)例

　　下面以實(shí)際安裝的戶(hù)外固定安裝LED顯示屏為例來(lái)探討散熱設計。

　　上面的圖片，為艾比森光電股份有限公司在國外實(shí)際安裝的戶(hù)外固定安裝LED顯示屏，型號為A1688，亮度為12000nit，最大功率為1150W。 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(fēng)扇空氣強迫致冷散熱。

　　先來(lái)計算空氣對流量，計算公式為L(cháng)=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：箱體內部溫度，℃；tl：降溫系統輸入的冷空氣溫度，℃

　　根據上面的公式，可以知道，如果要保證LED顯示屏箱體內部空氣溫度不超過(guò)tn℃，降溫系統需要輸入冷空氣的進(jìn)風(fēng)量為Wr/（Cρ（tn-tl））m3/s。

　　假設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(gè)散熱過(guò)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顯示屏的內部發(fā)熱量，在工程上不太容易實(shí)現，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(huà)面時(shí)，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%、驅動(dòng)部分發(fā)熱占整屏發(fā)熱量約50%、控制器及連接線(xiàn)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)。查當地的歷史氣候數據，考慮到最不利的氣候條件，確定C=0.7kJ/（kg℃）、ρ=0.7kg/m3。

　　箱體內部溫度tn，是指箱體內的最高空氣溫度，通常在箱體的上部。查開(kāi)關(guān)電源、驅動(dòng)IC等電子零部件的規格書(shū)，確定tn為60℃。

　　根據當地氣候資料及安裝特點(diǎn)，確定降溫系統輸入的冷空氣溫度tl為40℃。

　　L=0.3/（0.7*0.7*（60-40））=0.031m3/s

　　再來(lái)計算風(fēng)扇處開(kāi)口面積及風(fēng)扇選型。

　　根據安裝地點(diǎn)的情況，采用通過(guò)風(fēng)扇鼓風(fēng)的散熱方式。

　　選用公司常用的風(fēng)扇，風(fēng)量為50CFM，換算為0.023m3/s。因此，選用兩個(gè)風(fēng)扇鼓風(fēng)。

　　箱體后面的設計見(jiàn)上圖。

　　設計完成后，需要實(shí)際測試驗證。測試結果見(jiàn)下表。

　　實(shí)驗溫度記錄表（單位℃，實(shí)驗條件：40℃高溫房，亮度12000nit，全白靜止畫(huà)面）

　　最高溫度

　　鼓風(fēng)口空氣溫度40.5

　　出風(fēng)口空氣溫度58.3

　　開(kāi)關(guān)電源1溫度66.1

　　開(kāi)關(guān)電源2溫度66.3

　　接收卡溫度44.5

　　R燈驅動(dòng)IC溫度81

　　G燈驅動(dòng)IC溫度86.8

　　B燈驅動(dòng)IC溫度79.4

　　R燈溫度82

　　G燈溫度87.8

　　B燈溫度79.9

　　通過(guò)良好的散熱設計，這塊安裝在國外的LED顯示屏，幾年來(lái)運轉穩定、工作正常。

　　四、結論

　　高溫對LED顯示屏的可靠性影響較大，需要做散熱設計。戶(hù)外固定安裝的LED顯示屏，需從大屏幕的散熱設計開(kāi)始，再進(jìn)行箱體的散熱設計、模組的散熱設計。散熱設計，需要先做方案，計算無(wú)問(wèn)題后再做原型機測試驗證。測試驗證無(wú)問(wèn)題的LED顯示屏，才會(huì )在實(shí)際工作中不出現高溫問(wèn)題。