LED显示屏的散热设计.doc

No.1Big-bitLED照明网 /news/197472_p1.htmlLED显示屏的散热设计 【大比特导读】高温会导致电子元器件的失效概率迅速加大，从而导致LED显示屏的可靠度下降。为了控制LED显示屏内部电子元器件的温度，使其在LED显示屏所处的工作环境条件下，不超过规定的最高允许温度，需要进行LED显示屏的散热设计。高温会导致电子元器件的失效概率迅速加大，从而导致LED显示屏的可靠度下降。为了控制LED显示屏内部电子元器件的温度，使其在LED显示屏所处的工作环境条件下，不超过规定的最高允许温度，需要进行LED显示屏的散热设计。LED显示屏的散热设计，怎样才能低成本、高质量，是本文探讨的内容。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：No.9Big-bitLED照明网 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)0.0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0.38100m之间，且大部分能量位于红外波段0.7620m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，为艾比森光电股份有限公司在国外实际安装的户外固定安装LED显示屏，型号为A1688，亮度为12000nit，最大功率为1150W。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/(C(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);：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/(C(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)、=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44.5R灯驱动IC温度81G灯驱动IC温度86.8B灯驱动IC温度79.4R灯温度82G灯温度87.8B灯温度79.9通过良好的散热设计，这块安装在国