抬头显示器TFT屏被动散热方案仿真与验证

邱度金，刘 鹏，张小宇

（惠州市华阳多媒体电子有限公司， 广东惠州 516006）

0 引言

随着技术进步与人类出行的增加，因交通安全造成的事故与财产损失不断增大。各种交通设备中越来越趋近于通过各种传感设备与辅助设备增加驾驶员的感知便利性与驾驶的安全性。其中抬头显示器（Heads-up Display，HUD）就是一种能够提供辅助驾驶安全的设备。目前HUD的投影技术，主要有LCD(液晶显示)投影、DLP(数字光处理)投影以及激光扫描投影[1-5]。平板结构形式的TFT 液晶显示器以其薄、轻、环境适应能力强而越来越多地应用于工业、商业、家庭等各种信息、图像显示的场所，也越来越多地应用于车载、机载显示。本文主要以车载抬头显示为应用背景，TFT 在工作时自身是不会发光的，需要背光将TFT 照亮，而背光中绝大多数在经过TFT时会被TFT吸收。被TFT吸收的光会转化为热，引起TFT 温度升高。在白天有阳光时，会出现一种极端情况：HUD投射到挡风玻璃上的光线角度正好与太阳光照射到挡风玻璃的角度相同，此时太阳光会沿着HUD光路逆向进入HUD内部，最终在TFT 附近汇聚[6-7]。汇聚到TFT 附近的阳光照射到TFT表面会形成光斑[8-12]，光斑辐照度是入射阳光辐照度的数倍或数十倍，光斑的能量同样大部分会被TFT 吸收，引起TFT 局部过热。当上述两种情况叠加时，如果没有做好适当的TFT 降温措施，则TFT 温度会超出屏本身所能承受的极限温度，造成HUD无法成像，甚至烧毁屏幕。

本文针对HUD工作时TFT屏可能温度过高进行理论研究与设计仿真，通过几个方向对TFT 屏进行散热分析和验证，为保证HUD 在使用过程中不会出现TFT 温度过高提供解决方案。

1 TFT屏导热建模

以某一款产品为例，基于TFT 投影技术的HUD TFT 部分产品装配关系如图1（a）所示，其中TFT 支架材质为塑胶，TFT 模组由塑胶框、TFT 屏幕(两层玻璃将液晶夹持在中间)、TFT金属框组成。TFT模组与TFT支架之间安装有塑胶材质的扩散板，TFT模组与TFT支架之间为局部点接触。

为了给TFT 屏导热，在TFT 金属框与TFT 支架之间增加导热硅胶，以增大TFT 金属框与TFT 支架之间的接触面积，同时将TFT 支架材质由塑胶替换为导热性能优良的Al6061 进行散热，分解图如图1（b）所示。

图1 TFT导热方案模型

2 TFT屏导热仿真与测试

仿真与测试时将TFT 置于密闭空间内，在有无太阳负载条件下，对模型仿真结果与实际测试结果对比。

当HUD正常工作时，背光由两颗LED组成，每颗LED工作电压为3.1 V，电流为0.34 A，使用积分球测得的发光效率为0.252，TFT 屏透过率为6%，背光被TFT 吸收的比例为94%。据此可计算背光工作时被TFT屏吸收转换为热的功率为0.499 W。仿真与测试时在TFT 背光接收侧设置0.499 W 的热功率，根据阳光福照度能量分布与HUD光路设计仿真，阳光照射到TFT屏正面的热流密度平均值为11496 W/ m3。各种材料导热性能参数如表1所示。

表1 材料导热性能参数

TFT 的热量传递方向如图2 所示，通过TFT 屏上的金属框传递至导热硅胶再到扩散板，最终传递至TFT 支 架。TFT 屏 幕 的玻璃和金属框之间上下有两个双面胶，用来连接玻璃与金属框。金属框与TFT 的温度CAE 模拟分析结果及测试记过如表2～3所示。

表2 CAE模拟分析结果

图2 热传递图解

实际测试：在室内环境温度为27.5 ℃，无导热硅胶、TFT支架为塑胶时，HUD 内部温度为35.8 ℃。室内环境温度为25.2 ℃，增加导热硅胶，TFT 支架由塑胶变为AL6061 时，HUD 内部环境温度为31.75 ℃。此时，由于环境温度相差2.3 ℃，所得结果约为：65.95-2.3-59.3=4.35 ℃；

在室外环境，环境温度为32 ℃，无太阳负载照射HUD时，HUD 的内部温度为44 ℃，有太阳负载时HUD 内部温度为50 ℃。

当外部环境温度为32 ℃时，通过测试发现：

（1）太阳光照射到HUD 外壳上，外壳会吸收热量，使HUD整体温度上升，HUD内部空气温度会比外部环境温度会高10 ℃以上；

（2）当有太阳负载进入HUD 内部时，TFT 屏温度升高非常多，因HUD内部空间有限，实测HUD内部空气温度会上升15 ℃以上。

对比仿真结果和测试结论如下：

（1）仿真结果与实际最大相差4.7 ℃，仿真结果准确；

（2）通过给TFT 导热的散热效果与HUD 工作的环境温度相关，环境温度越低效果越好，环境温度越高，散热效果不明显；

（3）从表2 与表3 数据可以看出，当无太阳倒灌时，TFT支架材料由塑胶更换为AL6061 后TFT 最高温度可降4 ℃左右，当有太阳负载时，TFT最高温度降2 ℃左右。

表3 测试结果

2.1 太阳光对TFT温度影响仿真分析

2.1.1 无太阳光照射

室内环境为27.5 ℃，背光给TFT的热功率设置为0.499 W，TFT 组件置于封闭条件下，无太阳光照射，对现状产品和增加导热硅胶与TFT支架更改为AL6061进行仿真仿真，仿真结果如图3～4所示。由仿真结果可以看出更换材料前后TFT屏的温度差值为5.2 ℃。

图3 现状材料（无导热硅胶，TFT支架为PC+ABS）

图4 更换材料（增加导热硅胶，TFT支架材料变为Al6061）

2.1.2 太阳光照射外壳

室内环境为32℃，背光温度设置为0.499 W， TFT组件置于封闭条件下，太阳光照射在HUD 外壳，未照射到HUD 内部，将现状产品和增加导热硅胶与TFT支架更改为AL6061仿真，仿真结果如图5～6所示，由图可看出更换材料前后TFT屏温度差值为6.3 ℃。

图5 现状材料太阳照射外壳（无导热硅胶，TFT支架为PC+ABS)

图6 更换材料太阳照射外壳（增加导热硅胶，TFT支架材料变为Al6061）

2.1.3 太阳光照射HUD内部

室内环境为32 ℃，背光温度设置为0.499 W， TFT 组件置于封闭条件下，太阳光照射在HUD内部镜子上，对现状产品和增加导热硅胶与TFT支架更改为AL6061进行仿真，仿真结果如图7～8所示。由图可看出更换材料前后TFT屏温度差值为2.58 ℃。

图7 现状材料太阳照射HUD内部（无导热硅胶，TFT支架为PC+ABS)

图8 更换材料太阳照射HUD 内部（增加导热硅胶，TFT支架材料变为Al6061）

2.2 环境对TFT屏导热影响测试

试验机型如图9（a）所示，将其置于室内环境，为了消除空气对流对产品测试结果准确性的影响，HUD密封情况下进行测试。

图9 HUD产品及测试结果

实测结果如图9（b）所示，其中，1 为HUD 内部环境温度；2 为TFT 屏金属框温度；3 为TFT 背面中心温度；5 为TFT 屏正面中心温度。 TFT 屏中心温度最高，达到65.95 ℃。

2.2.1 室内环境

将被测对象其置于室内环境，HUD 密封情况下进行测试，在TFT 金属框上贴导热硅胶， TFT 支架材料从塑胶更换为Al6061进行温度测试，产品结构组成如图10（a）所示，测试结果如图10（b）所示。对比温度测试结果与续表1 CAE仿真结果可知，CAE 仿真结果与实际测试结果相差4 ℃左右（HUD内部温度相差35.8-31.75=4.07 ℃）。

图10 更换材料后测试结果

2.2.2 温箱环境

将被测对象置于温度为50 ℃的恒温箱内，HUD密封情况下进行测试，更换TFT支架（材料为Al6061)、贴导热硅胶实际测试。如图11（a）所示，HUD用纸箱封闭，杜绝温箱内对流风影响测试结果，再将封闭纸箱放入温箱位置，如图11（b）所示，使用测温仪进行温度测量。

图11 温箱测温（50 ℃）

如表4所示，更换TFT支架为铝（AL6061）后，TFT屏最高温度只降2.3 ℃，与表2 在室外环境有太阳倒灌时，更换TFT支架后，TFT屏最高温度可降低2 ℃相近。

表4 恒温箱内更换TFT支架前后测试数据表

通过分析以上CAE 仿真和测试数据，可知在TFT 与TFT支架之间增加导热硅胶并将TFT屏支架材料改为AL6061，将TFT的热量导走这种方案理论上是有效的，但TFT屏温度变化影响很小，散热不理想；TFT 屏温度与环境温度和HUD 内部空间温度相关。

3 加大背光散热面积，降低背光对TFT 热传导测试

HUD 在没有太阳负载的时候TFT 屏的温度升高是由背光引起的，理论分析其温度升高由两方面原因引起，一是背光发出的光被TFT 吸收产生的热量，二是背光LED 组件自身也会发热，发出的热量通过辐射和传导也有可能引起TFT 温升。其中背光发光被TFT 吸收升温是TFT 自身特点决定的，在现有技术条件下是无法改善的，因此考虑改善背光发热的辐射和传导对TFT的温升影响。

3.1 测试条件

常温、高温50 ℃环境下，散热器面积从在原有的13708 mm2增大到74388 mm2，TFT支架为AL6061，开机2 h以上确认各项温度稳定后读取数值并记录开启风扇前后温度。

3.2 安装方式

图12（a）所示为增大后的散热器，如12（b）所示，将原有的散热体替换为增大散热面积的散热器，常温测试按图12（a）～（c）安装步骤进行，高温50 ℃情况下测试按图12（a）～（d）步骤进行，将HUD放置在纸箱中并封闭，放入温箱中进行测试。

图12 增大散热面积测试方案

3.3 增大背光散热面积测试结果

如表5～6 所示，更换TFT 支架材料和增加散热器面积对TFT屏温度变化不太明显（常温下最小温度变化2.1 ℃，但最高温度变化为4.7 ℃。高温下最小温度和最高温度变化为1 ℃和2.25 ℃）。增加散热器散热面积对散热器本身温度有明显改善，常温可降14.25 ℃，高温变化9.9 ℃。可知：增加散热器散热面积对TFT 屏温度差异不大，对散热器自身温度有明显改善。

表5 TFT支架更换前、后及增加散热面积常温测试结果

4 结束语

本文针对抬头显示器的TFT 屏工作时温度过高进行研究，在常温与高温50 ℃左右进行测试对比，同时研究了太阳光对HUD内部温度的影响。方案一通过在TFT屏增加导热硅胶和将TFT 支架更改散热性能更好的材料将TFT 的热量导走，方案二是增大背光散热面积，期望减小背光热量辐射和传导到TFT。通过模拟仿真和测试证实以上两种方案可以降低TFT 的温度，CAE 仿真结果与实测结果比较接近。以上仿真与测试结果表明采用被动降温的方式给TFT 降温效果不显著，需要考虑其他降温方式。

表6 TFT支架更换前、后及增加散热面积50 ℃测试结果