某機載顯示器熱設計和仿真驗證

李新亮

摘要：分析了某機載顯示器結構及其材料溫度特性，介紹了熱分析的基本理論和方法，根據熱設計原理對某機載顯示器進行熱設計，最后利用Ansys Icepak軟件對該顯示器進行了熱分析，通過數值仿真，驗證了設計的合理性。

關鍵詞：熱設計;液晶顯示器

1概述

目前，飛機座艙的電子儀表和顯示器上廣泛地使用了液晶顯示器，其具有重量輕、體積小、功耗低、清晰度高和光學特性好等特點。為了提升顯示器在惡劣環境中的可靠性和使用性能，一般需要對顯示器進行加固處理，寬溫設計就是加固技術的重要手段之一[1]。

溫度對電子產品可靠性具有很大影響，相關研究表明：半導體元件溫度升高10℃，可靠性降低50%;當溫升達到50℃時，其壽命只有溫升25℃時的1/6;電子設備的失效有55%因高溫導致，失效率隨著溫度上升呈指數規律增加[2][3]。

顯示器的溫寬設計是指在高溫時，對顯示器的好熱元器件和整機溫升進行控制，避免超限后引發故障;顯示器在低溫時，對顯示屏進行加熱，保證其在低溫環境下能夠正產啟動、使用。

為了降低成本，避免因“過冷”、“過熱”產生問題，寬溫設計一般使用仿真的手段進行驗證。某機載顯示器就是基于此設計的，本文根據設備使用的環境要求，進行了有限元建模及仿真分析，得到了顯示器的高溫和低溫溫度分布云圖，分析驗證了加熱效果。

2熱設計理論

在對顯示器進行仿真前，需要了解熱設計相關理論。傳熱方式有三種，分別是熱傳導、熱對流和熱輻射。顯示器的寬溫設計中主要涉及到的是熱傳導。

熱傳導是指熱量傳遞僅通過微觀粒子熱運動進行熱量傳遞，物體各部分之間不發生相對位移。熱傳導的數學表達式為：

式中：Φ為換熱量，單位為W;λ為導熱系數，和材料特性有關，單位為W/（m·K）;A為垂直于熱流方向的截面面積，單位為m2;?T/?x是溫度在x方向上的變化率[5][6]。

3液晶顯示器結構設計

顯示器為帶導光板及顯示屏的拼裝式箱體，結構形式較為簡單，由導光板、殼體、顯示屏組件、后蓋、印制板等部分組成。殼體和后蓋采用5A06鋁合金板材加工而成，導光板主體材料為有機玻璃，各印制板以螺裝形式固定在結構件上，顯示屏組件與安裝架貼合。顯示器結構分解圖如圖1所示。

顯示器的主要散熱形式為自然對流散熱。密封腔體內的器件，需要考慮器件間、器件與殼體間的互相輻射以及相應的自然對流，屬于混合冷卻的散熱冷卻方式。

顯示屏組件主要包含有AR屏蔽玻璃、液晶面板、加熱玻璃、屏加固殼體和液晶屏背光板組成，如圖2所示。液晶屏背光板主要對液晶面板進行驅動，控制顯示內容;屏加固殼體對AR屏蔽玻璃、液晶面板和加熱玻璃進行加固、安裝;加熱玻璃主要作用是在低溫條件下對液晶面板進行加熱，保證液晶面板的低溫啟動要求;液晶面板對畫面進行顯示，AR屏蔽玻璃對顯示器進行屏蔽，保證電磁兼容性。液晶面板的尺寸為：70.5mm×70.5mm。

4顯示器熱仿真分析

4.1單位制

為保證熱力學模型的適用性、計算結果的準確性以及邊界條件的施加，統一采用如表1所示的單位制。未列舉參數的單位可由量綱分析所得。

4.2材料參數

顯示器的殼體和蓋板材料設定為5A06鋁合金，導光板的主要材料為航空有機玻璃，主要結構導熱系數如表2所示。

4.3模型簡化

對顯示器進行熱分析，在不影響熱分析結果前提下，前需要對顯示器的結構進行簡化。簡化的結構如螺釘、螺紋孔、殼體工藝圓角、倒角，簡化后顯示器結構如圖3所示。

4.4邊界條件設置

a） 顯示器熱仿真分為高溫工作和低溫工作兩項，高溫工作環境溫度60℃，低溫工作環境溫度-45℃;

b） 高溫時熱功耗為7W，低溫時為17W;

c） 所有芯片因條件限制，以相同大小鋁塊代替，此時計算得出的各個芯片的最高溫度為芯片外表面最高溫度;

d） 按照正確的傳熱路徑，建立系統的熱分析模型;

e） 接觸熱阻設置為0.4℃/W（經驗數據）;

f） 散熱方式為自然對流（湍流）、自然冷卻（傳導、輻射換熱）。

4.5網格劃分

在Ansys Icepak中建立的熱分析網格，對于模塊內簡單結構采用結構化六面體網格，對于導熱板等復雜形狀采用Mesher-HD方法劃分，處理好的網格如圖4所示，為了清楚看到其內部結構，對部分結構進行了隱藏。

4.6計算結果

高溫計算結果與分析

為了清楚顯示計算結果，下圖中部分略去了部分幾何框架，顯示器中最高溫度為81.17℃，溫升為21.17℃。

圖6～圖11分別為顯控板組件、電源板組件、顯示屏組件、顯示屏及框架、箱體結構件和按鍵導光板的溫度分布云圖。

可以看出，最高溫度在顯控板的DSP芯片上，為81.17℃;電源板上的最高溫度出現在隔離DC模塊上，為78.2℃;顯示屏組件與結構件貼合，導熱作用較好，因此顯示屏組件的溫度分布較均勻，整體溫差不大于2℃;箱體結構件最高溫度為75.22℃，箱體自身溫差為3.1℃;按鍵導光板的最高溫度出現在與機箱結構件貼合的部位，為73.54℃，按鍵導光板的自身溫差為5.8℃。

低溫計算結果與分析

如圖12所示，低溫時，顯示器中最高溫度為18.27℃。

圖13～圖18分別為顯控板組件、電源板組件、顯示屏組件、顯示屏及框架、箱體結構件及按鍵導光板的溫度分布云圖。

可以看出，最高溫度在顯控板的DSP芯片上，為18.27℃;顯示屏組件的最高溫度為16.4℃;箱體結構件最高溫度為13.1℃，箱體自身溫差為7.5℃。

5總結

從上述仿真結果可以看出，高溫時，顯示器在60℃的環境中工作，其溫升為21.17℃，內部最高溫度為81.17℃，小于工業級芯片許用最高溫度85℃。

低溫時，在加熱玻璃的作用下，顯示器在-45℃的環境中，顯示屏組件的溫度仍可保持在0℃以上，保證顯示器的正常工作。

綜上，該顯示器的熱設計可以滿足使用環境要求。

6參考文獻

[1]顧適夷，等. 機載.TFT-LCD結構加固分析[J]. 光電子技術，2004（3）：209-213

[2]顧子天，計算及可靠性理論與實踐[M].成都：電子科技大學出版社，1994;

[3]邱成悌，趙惇殳，蔣全興.電子設備結構設計原理[M].南京：東南大學出版社，2005;

[4]潘平，顧適夷，楊威. 機載液晶顯示器溫度控制技術研究[J]. 電子機械工程，2007年第23卷第2期：29-34

[5]余建祖，高紅霞，謝勇奇.電子設備熱設計技術[M].北京：北京航天航空大學出版社，2008;

[6]楊強生，浦保榮，高等傳熱學[M].上海：上海交通大學出版社，2001;