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：
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自然冷却
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强迫空气冷却
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直接液体冷却
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蒸发冷却
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散热能力W/cm²（温升为40℃时）
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0.04
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0.3
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0.6
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1.1
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实现
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容易
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较容易
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较困难
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困难
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重量或体积
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高
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中
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低
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低
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噪音或振动
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无
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高
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低
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低
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功耗
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无
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高
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低
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低
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费用
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低
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中
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高
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高
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维修性
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容易
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较容易
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较困难
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困难
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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。
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序号
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吹风方式
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抽风方式
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1
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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。
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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。
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2
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风扇出口附近气流主要为紊流流动
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进入风扇的流动主要为层流状态。
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3
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风扇工作在较低的空气温度下，风扇寿命较长。
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风扇在出风口高温下气流工作，寿命会受影响。
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4
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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。
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机柜内形成负压，缝隙中的灰尘会进入箱体内。
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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。
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）
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最高温度
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鼓风口空气温度
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40.5
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出风口空气温度
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58.3
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开关电源1温度
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66.1
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开关电源2温度
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66.3
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接收卡温度
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44.5
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R灯驱动IC温度
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81
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G灯驱动IC温度
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86.8
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B灯驱动IC温度
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79.4
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R灯 温度
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82
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G灯 温度
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87.8
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B灯 温度
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79.9
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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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