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1、K2MG-E专业技术人员绩效管理与业务能力提升练习与答案 1 LED 显示屏的散热设计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
2、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、
3、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：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0.38100m 之间，且大部分能量位
4、于红外波段0.7620m 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K2MG-E专业技术人员绩效管理与业务能力提升练习与答案 2 措施。对 LED 显示屏大屏幕来说，只有自然冷却散热
5、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
6、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
7、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。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、L
8、ED 显示屏散热设计实例 下面以实际安装的户外固定安装 LED 显示屏为例来探讨散热设计。上面的图片为在国外实际安装的户外固定安装 LED 显示屏，亮度为12000nit，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/（C（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)；：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
9、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/（C（tn-tl）m3/s。K2MG-E专业技术人员绩效管理与业务能力提升练习与答案 3 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
10、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)、=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，
11、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）通过良好的散热设计，这块安装在国外的 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。世上没有一件工作不辛苦，没有一处人事不复杂。不要随意发脾气，谁都不欠你的