某机载显示器热设计和仿真验证

2021-02-18李新亮

科学与生活 2021年30期

关键词：结构件液晶面板壳体

李新亮

摘要：分析了某机载显示器结构及其材料温度特性，介绍了热分析的基本理论和方法，根据热设计原理对某机载显示器进行热设计，最后利用Ansys Icepak软件对该显示器进行了热分析，通过数值仿真，验证了设计的合理性。

关键词：热设计;液晶显示器

1概述

目前，飞机座舱的电子仪表和显示器上广泛地使用了液晶显示器，其具有重量轻、体积小、功耗低、清晰度高和光学特性好等特点。为了提升显示器在恶劣环境中的可靠性和使用性能，一般需要对显示器进行加固处理，宽温设计就是加固技术的重要手段之一[1]。

温度对电子产品可靠性具有很大影响，相关研究表明：半导体元件温度升高10℃，可靠性降低50%;当温升达到50℃时，其寿命只有温升25℃时的1/6;电子设备的失效有55%因高温导致，失效率随着温度上升呈指数规律增加[2][3]。

显示器的温宽设计是指在高温时，对显示器的好热元器件和整机温升进行控制，避免超限后引发故障;显示器在低温时，对显示屏进行加热，保证其在低温环境下能够正产启动、使用。

为了降低成本，避免因“過冷”、“过热”产生问题，宽温设计一般使用仿真的手段进行验证。某机载显示器就是基于此设计的，本文根据设备使用的环境要求，进行了有限元建模及仿真分析，得到了显示器的高温和低温温度分布云图，分析验证了加热效果。

2热设计理论

在对显示器进行仿真前，需要了解热设计相关理论。传热方式有三种，分别是热传导、热对流和热辐射。显示器的宽温设计中主要涉及到的是热传导。

热传导是指热量传递仅通过微观粒子热运动进行热量传递，物体各部分之间不发生相对位移。热传导的数学表达式为：

式中：Φ为换热量，单位为W;λ为导热系数，和材料特性有关，单位为W/（m·K）;A为垂直于热流方向的截面面积，单位为m2;∂T/∂x是温度在x方向上的变化率[5][6]。

3液晶显示器结构设计

显示器为带导光板及显示屏的拼装式箱体，结构形式较为简单，由导光板、壳体、显示屏组件、后盖、印制板等部分组成。壳体和后盖采用5A06铝合金板材加工而成，导光板主体材料为有机玻璃，各印制板以螺装形式固定在结构件上，显示屏组件与安装架贴合。显示器结构分解图如图1所示。

显示器的主要散热形式为自然对流散热。密封腔体内的器件，需要考虑器件间、器件与壳体间的互相辐射以及相应的自然对流，属于混合冷却的散热冷却方式。

显示屏组件主要包含有AR屏蔽玻璃、液晶面板、加热玻璃、屏加固壳体和液晶屏背光板组成，如图2所示。液晶屏背光板主要对液晶面板进行驱动，控制显示内容;屏加固壳体对AR屏蔽玻璃、液晶面板和加热玻璃进行加固、安装;加热玻璃主要作用是在低温条件下对液晶面板进行加热，保证液晶面板的低温启动要求;液晶面板对画面进行显示，AR屏蔽玻璃对显示器进行屏蔽，保证电磁兼容性。液晶面板的尺寸为：70.5mm×70.5mm。

4显示器热仿真分析

4.1单位制

为保证热力学模型的适用性、计算结果的准确性以及边界条件的施加，统一采用如表1所示的单位制。未列举参数的单位可由量纲分析所得。

4.2材料参数

显示器的壳体和盖板材料设定为5A06铝合金，导光板的主要材料为航空有机玻璃，主要结构导热系数如表2所示。

4.3模型简化

对显示器进行热分析，在不影响热分析结果前提下，前需要对显示器的结构进行简化。简化的结构如螺钉、螺纹孔、壳体工艺圆角、倒角，简化后显示器结构如图3所示。

4.4边界条件设置

a）显示器热仿真分为高温工作和低温工作两项，高温工作环境温度60℃，低温工作环境温度-45℃;

b）高温时热功耗为7W，低温时为17W;

c）所有芯片因条件限制，以相同大小铝块代替，此时计算得出的各个芯片的最高温度为芯片外表面最高温度;

d）按照正确的传热路径，建立系统的热分析模型;

e）接触热阻设置为0.4℃/W（经验数据）;

f）散热方式为自然对流（湍流）、自然冷却（传导、辐射换热）。

4.5网格划分

在Ansys Icepak中建立的热分析网格，对于模块内简单结构采用结构化六面体网格，对于导热板等复杂形状采用Mesher-HD方法划分，处理好的网格如图4所示，为了清楚看到其内部结构，对部分结构进行了隐藏。

4.6计算结果

高温计算结果与分析

为了清楚显示计算结果，下图中部分略去了部分几何框架，显示器中最高温度为81.17℃，温升为21.17℃。

图6～图11分别为显控板组件、电源板组件、显示屏组件、显示屏及框架、箱体结构件和按键导光板的温度分布云图。

可以看出，最高温度在显控板的DSP芯片上，为81.17℃;电源板上的最高温度出现在隔离DC模块上，为78.2℃;显示屏组件与结构件贴合，导热作用较好，因此显示屏组件的温度分布较均匀，整体温差不大于2℃;箱体结构件最高温度为75.22℃，箱体自身温差为3.1℃;按键导光板的最高温度出现在与机箱结构件贴合的部位，为73.54℃，按键导光板的自身温差为5.8℃。

低温计算结果与分析

如图12所示，低温时，显示器中最高温度为18.27℃。

图13～图18分别为显控板组件、电源板组件、显示屏组件、显示屏及框架、箱体结构件及按键导光板的温度分布云图。

可以看出，最高温度在显控板的DSP芯片上，为18.27℃;显示屏组件的最高温度为16.4℃;箱体结构件最高温度为13.1℃，箱体自身温差为7.5℃。

5总结

从上述仿真结果可以看出，高温时，显示器在60℃的环境中工作，其温升为21.17℃，内部最高温度为81.17℃，小于工业级芯片许用最高温度85℃。

低温时，在加热玻璃的作用下，显示器在-45℃的环境中，显示屏组件的温度仍可保持在0℃以上，保证显示器的正常工作。

综上，该显示器的热设计可以满足使用环境要求。

6参考文献

[1]顾适夷，等. 机载.TFT-LCD结构加固分析[J]. 光电子技术，2004（3）：209-213

[2]顾子天，计算及可靠性理论与实践[M].成都：电子科技大学出版社，1994;

[3]邱成悌，赵惇殳，蒋全兴.电子设备结构设计原理[M].南京：东南大学出版社，2005;