翼之彩:LED显示屏的散热设计

更新时间:16/09/28 10:31:09     来源:www.sdyizhicai.com关闭分    享:

 

 

 

 

 

 

 

 LED显示屏长期在高温的情况下工作会导致灯珠衰变加速减少寿命,同时电子器件的失效率概率也会迅速加大。从而导致显示屏可靠度下降。所以解决LED显示屏散热问题是LED显示屏生产中很重要的一环。那么怎么样的设计才能降低成本提高效率呢?       

 

一、散热设计的相关知识  

 

       热量传递的两个基本规律:热量是从高温区流向低温区;高温区发出的热量等于低温区吸收的热量。  、

 

        热量的传递有三种基本方式:导热、对流和辐射。

  

        导热:气体导热是由气体分子不规则运动时互相碰撞的结果。金属导体中的导热主要靠自由电子的运动来完成。非导电固体中的导热是通过晶格结构的振动实现的。液体中的导热机理主要靠弹性波的作用。 

 

       对流:指流体各部分之间发生相对位移时所引起的热量传递过程。对流仅发生在流体中,且必然伴随着有导热现象。流体流过某物体表面时所发生的热交换过程,称为对流换热。由流体冷热各部分的密度不同所引起的对流称自然对流。若流体的运动由外力(风扇等)引起的,则称为强迫对流。 

 

      辐射:物体以电磁波形式传递能力的过程称为热辐射。辐射能在真空中传递能量,且有能量形式的转换,即热能转换为辐射能及辐射能转换成热能。 

 

       选择散热方式时,应考虑下列因素:LED显示屏的热流密度、体积功率密度、总功耗、表面积、体积、工作环境条件(温度、湿度、气压、尘埃等)等。  

按传热机理,有自然冷却、强迫空气冷却、直接液体冷却;蒸发冷却;热电致冷;热管传热等散热方式。  

 

常见的几种散热方法对比如下:

 


 

       自然冷却强迫空气冷却直接液体冷却蒸发冷却

 

  散热能力W/cm?(温升为40℃时)0.040.30.61.1

 

  实现容易较容易较困难困难

 

  重量或体积高中低低

 

  噪音或振动无高低低

 

 

  功耗无高低低

 

  费用低中高高

 

  维修性容易较容易较困难困难

 

  从上表可看出,自然冷却的散热效果比较小,蒸发冷却的散热效果比较大。人体出汗降温,用的就是蒸发冷却的散热方法。


二、LED显示屏的散热设计方法

 

  从实际应用中可知,目前LED显示屏内部发热比较多,发热较多的电子零部件为:LED、驱动IC、开关电源。因此,需要对LED显示屏进行散热设计,在热源与外部环境之间提供一条低热阻通路,保证热量顺利传递出去。

 

  物体温度低于1800℃时,有意义的热辐射波长位于0.38~100μm之间,且大部分能量位于红外波段0.76~20μm范围内,在可见光波段内,热辐射能量比重并不大。因此,LED显示屏内部可以随意涂敷各种颜色。太阳光直射的LED显示屏外部,需涂覆成浅色,避免可见光吸收。

 

   从LED显示屏的使用情况考虑,租赁屏、户内固定安装屏多用自然冷却散热的方法,户外固定安装屏多用强迫空气冷却散热的方法。

 

     户外固定安装LED显示屏,在整个屏幕安装时,就要考虑散热设计。受安装地点的限制,随着LED显示屏功耗的降低,越来越多的客户将LED显示屏在户外裸装,同时没有其他的辅助散热措施。对LED显示屏大屏幕来说,只有自然冷却散热的方式,散热能力比较差。因此,LED显示屏箱体的散热设计显得尤为重要。从LED显示屏箱体使用可靠性、维护成本等多个角度综合考虑,用风扇进行强迫对流冷却散热,是比较好的散热方式。

 

  发热电子零部件与冷风的热交换面积,发热电子零部件与冷风的温度差,直接影响散热效果。这就涉及进入LED显示屏箱体的风量大小设计,风道的设计。通风管道设计时,尽量采用直管道输送空气,避免采用急剧拐弯和弯曲的管道。通风管道应避免骤然扩展或骤然收缩。扩展的张角不要超过20?,收缩的锥角不要大于60?。通风管道应尽量密封,所有搭接都应顺着流动方向。

 

  LED显示屏箱体设计时,有几点需注意:进气孔应设置在箱体下侧,但不要过低,以免污物和水进入安装在地面的箱体内。排气孔应设置在靠近箱体的上侧。空气应自箱体下方向上方循环,应采用专用的进气孔或排气孔。应使冷却空气从发热电子零部件中流过,同时需防止气流短路。进气孔、出气处需设置过滤网,以防杂物进入箱体。设计时应使自然对流有助于强迫对流。设计时需确保进气口与排气口远离。要避免重复使用冷却空气。考虑到空气受热体积膨胀的因素,出风口面积应为进风口面积的1.5倍-2倍。开关电源等发热较大的电子零部件,应尽量靠近进风口。要保证散热器齿槽方向与风向平行,散热器齿槽不能阻挡风路。

 

  风扇安装在系统中,由于结构限制,进风口和出风口常常会受到各种阻挡,其性能曲线会发生变化。根据实际经验,风扇的进出风口最好与阻挡物有40mm的距离,如果有空间限制,也应至少有20mm。

 

  选择风扇一般以风扇进出口风温的大小作为限制条件。对于抽风的情况,由于风扇抽出的是热风,对风扇的寿命将产生严重的影响。对风扇厂家,一般均以60℃作为标定风扇寿命MTBF的条件,如果风扇应用的环境温度高于60℃,则温度每升高5℃,风扇寿命下降一半。

 

  考虑采用抽风还是吹风方式时,可以参考下表的吹风与抽风方式对比。

 

 


 

      1、送风不均匀,吹风有一定的方向性,局部换热强烈,适用于发热器件比较集中的情况。送风均匀,适用于发热器件分布比较均匀,风道比较复杂的情况。

 

  2、风扇出口附近气流主要为紊流流动进入风扇的流动主要为层流状态。

 

  3、风扇工作在较低的空气温度下,风扇寿命较长。风扇在出风口高温下气流工作,寿命会受影响。

 

  4、吹风时在箱体内形成正压,可以防止缝隙中的灰尘进入箱体。机柜内形成负压,缝隙中的灰尘会进入箱体内。

 

箱体内模组的散热设计,也是需要考虑的。不良的散热设计,会使显示效果不佳,出现色斑情况。在PCB上放置发热元器件时,尽量考虑热量的均匀分布,不要将发热多的元器件聚集在PCB的某个局部。

 

  下图为散热设计的流程图


 

 

三、LED显示屏散热设计实例

  下面以实际安装的户外固定安装LED显示屏为例来探讨散热设计。

 

上面的图片,为宏华光电在广东实际安装的户外固定安装LED显示屏,型号P10户外表贴全彩,亮度为5500cd,最大功率为923W。LED显示屏大屏幕的散热方式为自然冷却散热。综合散热成本、质量考虑,LED显示屏箱体的散热方式为风扇空气强迫致冷散热。

 

  先来计算空气对流量,计算公式为L=Wr/(Cρ(tn-tl))

 

  L:空气对流量,m3/s;Wr:空气强迫冷却散热量;C:空气的比热容,kJ/(kg℃);ρ:空气的密度,kg/m3;tn:箱体内部温度,℃;tl:降温系统输入的冷空气温度,℃

 

 

  根据上面的公式,可以知道,如果要保证LED显示屏箱体内部空气温度不超过tn℃,降温系统需要输入冷空气的进风量为Wr/(Cρ(tn-tl))m3/s。

 

  假设LED显示屏箱体需要散热的热量为W,考虑到自然冷却散热、辐射散热在箱体的整个散热过程中起到的作用非常小,将W考虑为空气强迫冷却散热量。精确计算LED显示屏的内部发热量,在工程上不太容易实现,通常采用估算法。由经验可知:在以最大亮度播放静止白色画面时,A1688发热功率约为300W,即Wr=0.3KW。通常情况下,LED显示屏中,LED光源的发热量占整屏发热量约45%、驱动部分发热占整屏发热量约50%、控制器及连接线等占整屏发热量约5%。

 

  空气的比热容、空气的密度,与空气的温度、湿度、压力有关。查当地的历史气候数据,考虑到最不利的气候条件,确定C=0.7kJ/(kg℃)、ρ=0.7kg/m3。

 

  箱体内部温度tn,是指箱体内的最高空气温度,通常在箱体的上部。查开关电源、驱动IC等电子零部件的规格书,确定tn为60℃。

 

  根据当地气候资料及安装特点,确定降温系统输入的冷空气温度tl为40℃。

 L=0.3/(0.7*0.7*(60-40))=0.031m3/s

 

  再来计算风扇处开口面积及风扇选型。

 

  根据安装地点的情况,采用通过风扇鼓风的散热方式。

 

  选用公司常用的风扇,风量为50CFM,换算为0.023m3/s。因此,选用两个风扇鼓风。

 

  箱体后面的设计见上图。

 

  设计完成后,需要实际测试验证。测试结果见下表。

 

  实验温度记录表(单位℃,实验条件:40℃高温房,亮度12000nit,全白静止画面)

 

 

 

最高温度

 

  鼓风口空气温度40.5

 

  出风口空气温度58.3

 

  开关电源1温度66.1

 

  开关电源2温度66.3

 

  接收卡温度44.5

 

  R灯驱动IC温度81

 

  G灯驱动IC温度86.8

 

  B灯驱动IC温度79.4

 

  R灯温度82

 

  G灯温度87.8

 

  B灯温度79.9

 

  通过良好的散热设计,这块安装在国外的LED显示屏,几年来运转稳定、工作正常。


  四、结论

 

  高温对LED显示屏的可靠性影响较大,需要做散热设计。户外固定安装的LED显示屏,需从大屏幕的散热设计开始,再进行箱体的散热设计、模组的散热设计。散热设计,需要先做方案,计算无问题后再做原型机测试验证。测试验证无问题的LED显示屏,才会在实际工作中不出现高温问题。