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LED显示屏散热设计很重要
LED显示屏散热设计很重要
陕西方普科技发展有限公司    苟建平

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:

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/cm²(温升为40℃时)

0.04

0.3

0.6

1.1

实现

容易

较容易

较困难

困难

重量或体积

噪音或振动

功耗

费用

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20º,收缩的锥角不要大于60 º。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。

序号

吹风方式

抽风方式

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。

图片1


三、LED显示屏散热设计实例

下面以实际

图片2

安装的户外立柱安装LED显示屏为例来探讨散热设计。

上面的图片,为方普科技有限公司在户外实际安装的户外固定安装LED显示屏,型号为P10,亮度为8500nit,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/( 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=0.7 kJ/(kg℃)、ρ=0.7 kg/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))=0.031 m3/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0.023 m3/s。因此,选用两个风扇鼓风。

图片3


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,这块户外的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。




 
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