便携式DLP投影仪的散热设计.doc

便携式DLP投影仪的散热设计作者：斯科特.P.欧夫曼德州仪器公司译者话：这是一篇翻译的关于DLP投影仪的散热的文章，投影仪作为一个新兴不久的电子产业之一在国内的发展也是不久的事，有鉴于关于此类的文章难以找见，现翻译一篇TI网站的资料与大家共享！摘要便携式DLP投影仪在流明体积比、流明重量比的性能上继续引领投影仪行业潮流，最近发布的一些产品已经突破了重量1.4kg的瓶颈且亮度超过1000流明。过去的几年里在这些产品的体积、重量显著降低的同时，产品的消耗功率却保持不变或降低甚微。与其它便携式设备如笔记本电脑相比，降低投影仪的尺寸和功率的研究也已日渐成为一种趋势。本文在散热设计需要考虑的考虑因素中讨论了DMD（数字微镜设备）的冷却、灯的冷却、接触温度要求、风扇的选择、风扇的温度、风道设计、噪声问题，对测试以及在系统或子系统设计中的分析方法也进行了讨论。关键词：热管理，便携式投影仪，DLP，DMD1 介绍便携式DLP（数字光处理器）投影仪在小尺寸以及低重量特性方面持续引领行业潮流，目前的发展趋势是在降低投影仪尺寸和重量的同时提高亮度，达成这些目标的同时还要保持低噪声、提高灯的寿命、降低接触温度、减少光泄漏、提升系统可靠性。这些部分源于散热设计的内容日益成为研发新型投影仪的挑战。本文围绕主系统以及子系统级别的散热设计阐明了分析与测试技术以期得到令人满意的投影仪散热设计。2 历史趋势便携式投影仪行业是在1997年伴随着重量3.1kg的投影仪的问世而凸现的相对较新的行业，相比于97年的投影仪现在的投影仪已经可以提供双倍的亮度（1000流明）、不足原来一半的重量（1.4kg）。在可预见的将来必然继续有对更高亮度的投影仪的强劲需求，从而使便携式投影仪的散热设计更富挑战性。图1、2显示了流明重量比、流明体积比的历史发展趋势，从图中可以看出两条曲线的斜率随时间均在加速增长。虽然这些曲线对比让消费者印象深刻并欢欣接受，但伴随图3所示的功率密度的增加却让投影仪的散热成为沉重的负担。2000年的新产品以1.4kg的投影仪为例，其功率密度已经接近1.5W/立方英寸，差不多是笔记本电脑最大功耗时的3倍或者典型功耗的7倍。图1: DLP投影仪流明重量比（ lumens/pound）随时间变化图图 2: DLP投影仪流明体积比（ lumens/in3）随时间变化图图 3: DLP 投影仪功率密度随时间变化图3 主要的散热设计问题随着投影仪功率密度的快速增加，散热设计已经成为整机设计中至关重要的部分。设计工程师为得到成功的产品必须把散热能力连同系统性能考虑在一起。下面的章节将针对系统或子系统的散热设计问题进行阐述。3.1 系统功耗便携式投影仪的系统功耗取决于灯的功耗，灯的功耗约占整机功耗的75%，灯的电源约占15%，其余的功耗分散在电子电路、风扇、色轮转子（见图4）上。便携式投影仪均采用风扇牵引周围环境空气进入机壳，利用强迫对流冷却内部器件。所需空气流量基于总的功耗和进出口之间的允许温差。如果温升一定，风扇转速由于噪声原因受限，那么选择较大风扇就是解决系统功率增加问题的首选方法了。而风扇是影响投影仪尺寸和重量的主要因素，为减少尺寸，系统功耗必须降低。图 4: DLP投影仪内部布局例图由于投影仪的功耗集中在围绕灯的区域，使得外壳的温度分布不均衡。灯以及出风口温度附近投影仪的外壳温度最高，按照要求这一温度必须低于UL规定的最高接触温度。当然，用户更乐于接受更有效的冷却。表1列出了标准UL1950中对电子设备外表面可能的接触部位温度升高的要求。表1:UL19501 接触温度要求Maximum temperature rise (K)PartMetalPlasticHandles, knobs, grips, etc. held or touched for short periods only3560External surface of equipment which may be touched4570由于投影仪日益小型化，加上外壳材料以镁合金替代塑料，投影仪壳温已不仅仅是一个问题。镁合金材料减轻了重量、提高了结构完整性，但也带来了接触温度要求高的缺点。如表1，金属的可允许接触温度低于塑料。由于具有较高的热传导率，在触摸相同温度的外壳时金属比塑料感觉要热的多，因此出于舒适以及安全的需求金属外壳必须保持在较低的温度。3.2 DMD的冷却DLP投影仪采用DMD投射光到屏幕上来显示图像。DMD是由几十万个微镜片组成的微电子机械系统，这些微镜片在开状态下径直把光反射到屏幕上，而在关状态下把光吸收，如图5所示，每个微镜片代表一个像素点。图 5: DMD微镜片工作示意图和绝大多数半导体器件一样，DMD的温度控制对其性能和可靠性的最佳化很重要。然而与其它半导体器件不同的是，DMD需要散发的热量不仅是来自电子，还包括吸收部分来自光源的能量。电子部分负载所占比重较少，约有1W，吸收的能量部分较多，并且由于需要光源发射更多的光来增加屏幕亮度，导致DMD吸收的能量也随着高流明的要求而增加。对于典型的1000流明的投影仪，根据光学设计的不同被DMD吸收的能量约34W。考虑45W的DMD的散热并不简单，一般投影仪厂家设计的最高工作温度为3540C，而DMD的最高工作上限为65C，只允许2530C的温升。显然这是一个重要的散热问题，通常需要提供风冷散热器作为解决方案。由于DMD相对环境的温升只能限制在2530C，因此DMD散热器以及DMD接口（光机和电路）的冷却空气必须防止出现被其它部件预先加热的情况。DMD一般置于远离灯并非常靠近空气进口的位置。这种设计可以最大程度上减少预先加热的问题，同时也减少了由最大热源灯到DMD的热传导的负效应。DMD可以利用附加在陶瓷基底通过锁扣相连的散热器有效散热，锁扣的使用增加了设计的灵活性，可以根据每种投影仪的散热需要、重量限制、造型设计选用不同形状和尺寸的散热器。随着屏幕流明级别的增加，就需要设计更有效的DMD散热器。方案之一是采用为PC处理器散热的冷却模块，风扇与散热器集成为一体。从散热的观点来看，DMD与PC中的处理器一样，在各自的系统中都是具有最大功率消耗的芯片。幸运的是，集成风扇与散热器技术在PC行业中已经是非常成熟并且可以轻易地移植到投影仪中使用。桌上电脑处理器与投影仪DMD之间的主要差异在于尺寸与重量约束。你可能称辨1.4kg重的投影仪里DMD的冷却与笔记本处理器的冷却很相似，确实，在最小的便携式投影仪中没有大的集成的风扇冷却器，但在笔记本里还有其它把热量扩散到大面积的外壳区域的有效方法，这些可以让笔记本电脑的外部温度相对均衡的多，当然笔记本电脑的功率也低得多。而在投影仪里由于外壳的很大部分被灯加热，就难以考虑作为DMD散热路径了。3.3 灯的散热在投影仪中卤素灯、高压汞灯是最常用的两种类型，过去几年里已经出现了从卤素灯向高压汞灯转变的趋势，尤其是在小型投影仪里，高压汞灯展示了更稳定的工作性能，并且对灯芯的散热状态没有那么敏感，又具有完美的效率流明功率比，高效率使得系统消耗的总功率比卤素灯投影仪更低。相对于卤素灯，高压汞灯一般工作在高电压、低电流，灯的稳压源可以做的更小。灯的装配里有几处与温度相关的地方影响到灯的失效问题。之一为玻璃与金属间密封用的金属箔的氧化，薄的金属箔片使灯芯与外部空气隔绝，如图6。金属箔会随时间氧化并最终危及密封性能而导致灯的失效。在高温条件下，氧化过程是加速进行的，因此为灯芯前后两端提供合适的冷却是非常重要的。第二个失效是失透，即环绕灯芯光球区域的石英晶体结构发生的一种变化，失透在高温情况下也会加速，因此保持光球外壁温度低于一定限制对于灯的长期工作寿命也是很重要的。除了高温失效外，散热还需要考虑另一个影响因素过冷却。因为光球的温度过低会使内部填充物原料收缩导致不稳定的电弧或输出光谱的变化。图 6: 高压汞灯剖面图由于投影仪的尺寸要减小，灯的反射镜就必须收缩以迎合产品对尺寸和重量的限制。带来的结果是灯的功率密度增加，在狭小的体积里需要更多的空气为灯芯散热，还要兼顾密封问题。另外的影响就是越小的反射镜则灯芯头对外出光线的阻碍作用就越明显，前面的金属箔可以做短以减小影响，但短箔片会使密封不充分而降低灯的使用寿命，密封的完整性与密封长度间存在一定的比例关系。对于体积小的高压汞灯，需要有冷却气流经过前电极，可能的话还有灯芯球。由于前电极比灯芯球需要更多的冷却空气，引导气流进入预设风道或使气流集中到电极常常会得到有利的结果。而使用轴流风扇是很难做到这一点的，因为轴流风扇有较大的出风区域不利于气流集中，所以小的离心风机常被用来达成这一意图。轴流风扇往往用来冷却反射镜，给灯的封装体通风散热。然而即使有足够的冷却，反射镜的表面温度也是远远超过UL规定的投影仪外罩接触温度的上限，所以在反射镜与投影仪外罩之间需要添加热绝缘层来减少局部可能导致安全隐患或带来不适的热点。热绝缘层常贴在投影仪外罩的内表面，并敷有一层反光金属箔来限制过多的并然出现的热辐射。正常情况下，灯被放进包括等和连接器的组装模块中，当寿命到期时用户可以轻易的更换。对于好的组装模块设计，细致地考虑反射镜、前电极、灯芯球的散热设计是很重要的，设计内容包括阻挡漂移光线、分配气流、放置绝缘层。由于灯的功耗占系统的75%，而灯又比投影仪其它部分忍受更高的温度，那么把灯放置在投影仪的出风口位置并尽可能远离电子器件就成为投影仪的一条设计原则。同时需要重点关注灯与投影仪其它部件间的隔离绝热，围绕灯的风道必须做到密封无泄漏，防止热空气回流到投影仪内其它部件的位置。3.4 电源散热虽然出于尺寸和重量的降低需要，使得电源转变为较多地采用表贴器件和小通孔技术，但传统的电源采用通孔散热。由于多数器件立置于板上，通孔电源就拥有了较大的表面积。大功率晶体管和二极管可能需要散热器，但一般器件依靠器件间的气流掠过本身的表面已经足够了。因为电源尺寸的收缩，使保持器件间的一定的空隙作为冷却气流通路就显得尤为重要。在早期设计阶段，考虑气流方向以及器件的安装排列等是保证器件散热满足限制要求的关键。电源器件的壳温上高于DMD和其它器件，因此电源适合于放置在DMD和其它电路的风道下游。3.5 风扇风扇作为投影仪的冷却部件，本身也需要保持在可接受的温度范围内。在风扇手册里规定了风扇的工作温度，典型的最大值大约为70C，这一限制下可以得到一定的符合厂家可靠性要求的寿命值。风扇也可以在高出手册中列出的限制条件下工作，但寿命会降低，在设计中有必要理解这种寿命和温度的关系。风扇可以放置在灯的前面或者后部，差别在于风扇的工作温度不同。如果有足够的气流使经过系统的空气保持相对较低的温度，则风扇可以放置在灯的下游。轴流风扇和离心风机均常用于小型投影仪的散热。一般来讲，轴流风扇能够提供较大的风量，但克服阻力的性能相对较低，而离心风机能够克服较高的阻力，却只提供很小的空气流量。因此，轴流风扇常用来从许多开路通道中抽取空气提供给整个系统散热，而离心风机多用来强迫气流通过如灯的组装模块这样的阻力较大的通道。如果外部造型上不允许，一般情况下轴流风扇的选择都会受到投影仪高度或厚度的限制，不能使用大尺寸风扇。这样有时就要使用多个轴流风扇来满足系统的流量需求。使用了多个风扇后，增加了设计的灵活性，使穿过系统的空气流量分布更为均布，但要注意风扇的出口气流冷热不均，使其混合能够降低系统出风口的空气温度。3.6 噪声有许多因素影响风扇的噪声性能，一些源于风扇的固有设计，另外一些可以在投影仪设计中控制。可控因素包括风扇转速、风扇进出风口无障碍区域大小，其中风扇转速对系统噪声具有最大的影响，但在风扇出口尤其是进口存在近距离的障碍物时也会产生很大的再生噪声。紧凑的DLP投影仪设计使风扇附近的区域可保留空间非常有限，但至少要保证风扇进口附近1/4风扇直径的空间无障碍，同时建议风扇出口也同样处理。过少的无障碍空间在带来噪声的同时由于阻力增大也减少了空气流量。3.7 系统阻力和通风由于尺寸收缩，设计具有足够内部通风空间和外部通风区域的投影仪已是日益困难。同时为了把风扇转速降到最低得到“静音”投影仪，必须限制空气流量在最低要求。设计进出风口时，首要一条原则是保证25.8 cm2 (4 in2)的通风面积。4 测试和分析方法4.1 构建模型进行的热测试在工程原型之前可以构建投影仪物理模型和关键子部件来进行试验，以确定温度和气流状况。模型可以通过修改已有的投影仪来实现，或者采用金属片、树脂玻璃和绝缘布等直接搭建。构建模型的目的是在最终版本确定之前为设计提供试验数据。在设计的每个阶段，模型测试都是必要的。早期通过构建简单的模型进行试验来验证总体上的冷却效果，有助于主要部件的定位、风扇的选择和定位、通风口的定位和尺寸。模型的测试结果还可以用来与预算的结果或CFD模拟结果进行对比。在首版电路、电源可用之前，电阻加热器可以用来模拟投影仪内不同位置的热耗散。电阻加热器可以是模块形式贴在金属片上模拟电子器件的热耗散，在阻力小不适合模块的地方可以做成薄金属片加热器。两种类型都可以做成各种形状、尺寸并达到最大功耗。随着设计深入，电阻加热器可以被实物取代，灯、电源、电路等。贯穿设计阶段的模型热测试对于保证冷却方案的可行性是很重要的，这样才能使所有温度敏感器件最终与设计目标相符。4.1 CFD软件模拟分析CFD分析工具可以有效应用于投影仪设计中流场与温度场的仿真模拟。CFD工具的优点是可以在设计的概念阶段此时还没有切实可用的硬件，甚至连热测试模型都无法搭建的情况下就可以进行温度预算。CFD工具还可以进行单独变量的分析，而这在模型的热测试中是很难做到的。但是建立和求解复杂的仿真模型通常很耗时间。同时利用CFD工具和热测试模型将有助于定位散热设计中的问题，尤其是在设计、构建复杂的硬件之前可以根据两方面的可用数据综合出结论来指引设计的发展方向。4.2 灯的测试保持灯的温度在设计范围内才能得到最大的流明输出和更长的寿命，这因此也成为投影仪设计和产品认证的重要指标。T型热电偶在200C以内具有非常高的精度，因此常用于温度测量。而在测量灯的比较高的温度时，K型热电偶由于可以精确到1300C就更适于使用。附在灯上的热电偶需要测量200C左右的反射镜温度、