詳細分析LED顯示屏的散熱設計問題

文章出處：網責任編輯：作者：發表時間：2015/4/28

高溫會導致電子元器件的失效概率迅速加大，從而導致LED顯示屏的可靠度下降。為了控制LED顯示屏內部電子元器件的溫度，使其在LED顯示屏所處的工作環境條件下，不超過規定的最高允許溫度，需要進行LED顯示屏的散熱設計。LED顯示屏的散熱設計，怎樣才能低成本、高質量，是本文探討的內容。

一、散熱設計的相關知識

熱量傳遞的兩個基本規律：熱量是從高溫區流向低溫區;高溫區發出的熱量等于低溫區吸收的熱量。

熱量的傳遞有三種基本方式：導熱、對流和輻射。

導熱：氣體導熱是由氣體分子不規則運動時互相碰撞的結果。金屬導體中的導熱主要靠自由電子的運動來完成。非導電固體中的導熱是通過晶格結構的振動實現的。液體中的導熱機理主要靠彈性波的作用。

對流：指流體各部分之間發生相對位移時所引起的熱量傳遞過程。對流僅發生在流體中，且必然伴隨著有導熱現象。流體流過某物體表面時所發生的熱交換過程，稱為對流換熱。由流體冷熱各部分的密度不同所引起的對流稱自然對流。若流體的運動由外力(風扇等)引起的，則稱為強迫對流。

輻射：物體以電磁波形式傳遞能力的過程稱為熱輻射。輻射能在真空中傳遞能量，且有能量形式的轉換，即熱能轉換為輻射能及輻射能轉換成熱能。

選擇散熱方式時，應考慮下列因素：LED顯示屏的熱流密度、體積功率密度、總功耗、表面積、體積、工作環境條件(溫度、濕度、氣壓、塵埃等)等。

按傳熱機理，有自然冷卻、強迫空氣冷卻、直接液體冷卻;蒸發冷卻;熱電致冷;熱管傳熱等散熱方式。

常見的幾種散熱方法對比如下：

從上表可看出，自然冷卻的散熱效果比較小，蒸發冷卻的散熱效果比較大。人體出汗降溫，用的就是蒸發冷卻的散熱方法。

二、LED顯示屏的散熱設計方法

從實際應用中可知，目前LED顯示屏內部發熱比較多，發熱較多的電子零部件為：LED、驅動IC、開關電源。因此，需要對LED顯示屏進行散熱設計，在熱源與外部環境之間提供一條低熱阻通路，保證熱量順利傳遞出去。

物體溫度低于1800℃時，有意義的熱輻射波長位于0.38~100μm之間，且大部分能量位于紅外波段0.76~20μm范圍內，在可見光波段內，熱輻射能量比重并不大。因此，LED顯示屏內部可以隨意涂敷各種顏色。太陽光直射的LED顯示屏外部，需涂覆成淺色，避免可見光吸收。

從LED顯示屏的使用情況考慮，租賃屏、戶內固定安裝屏多用自然冷卻散熱的方法，戶外固定安裝屏多用強迫空氣冷卻散熱的方法。

戶外固定安裝LED顯示屏，在整個屏幕安裝時，就要考慮散熱設計。受安裝地點的限制，隨著LED顯示屏功耗的降低，越來越多的客戶將LED顯示屏在戶外裸裝，同時沒有其他的輔助散熱措施。對LED顯示屏大屏幕來說，只有自然冷卻散熱的方式，散熱能力比較差。因此，LED顯示屏箱體的散熱設計顯得尤為重要。從LED顯示屏箱體使用可靠性、維護成本等多個角度綜合考慮，用風扇進行強迫對流冷卻散熱，是比較好的散熱方式。

發熱電子零部件與冷風的熱交換面積，發熱電子零部件與冷風的溫度差，直接影響散熱效果。這就涉及進入LED顯示屏箱體的風量大小設計，風道的設計。通風管道設計時，盡量采用直管道輸送空氣，避免采用急劇拐彎和彎曲的管道。通風管道應避免驟然擴展或驟然收縮。擴展的張角不要超過20o，收縮的錐角不要大于60 o。通風管道應盡量密封，所有搭接都應順著流動方向。

LED顯示屏箱體設計時，有幾點需注意：進氣孔應設置在箱體下側，但不要過低，以免污物和水進入安裝在地面的箱體內。排氣孔應設置在靠近箱體的上側。空氣應自箱體下方向上方循環，應采用專用的進氣孔或排氣孔。應使冷卻空氣從發熱電子零部件中流過，同時需防止氣流短路。進氣孔、出氣處需設置過濾網，以防雜物進入箱體。設計時應使自然對流有助于強迫對流。設計時需確保進氣口與排氣口遠離。要避免重復使用冷卻空氣。考慮到空氣受熱體積膨脹的因素，出風口面積應為進風口面積的1.5倍—2倍。開關電源等發熱較大的電子零部件，應盡量靠近進風口。要保證散熱器齒槽方向與風向平行，散熱器齒槽不能阻擋風路。

風扇安裝在系統中，由于結構限制，進風口和出風口常常會受到各種阻擋，其性能曲線會發生變化。根據實際經驗，風扇的進出風口最好與阻擋物有40mm的距離，如果有空間限制，也應至少有20mm。

選擇風扇一般以風扇進出口風溫的大小作為限制條件。對于抽風的情況，由于風扇抽出的是熱風，對風扇的壽命將產生嚴重的影響。對風扇廠家，一般均以60℃作為標定風扇壽命MTBF的條件，如果風扇應用的環境溫度高于60℃，則溫度每升高5℃，風扇壽命下降一半。

考慮采用抽風還是吹風方式時，可以參考下表的吹風與抽風方式對比。

箱體內模組的散熱設計，也是需要考慮的。不良的散熱設計，會使顯示效果不佳，出現色斑情況。在PCB上放置發熱元器件時，盡量考慮熱量的均勻分布，不要將發熱多的元器件聚集在PCB的某個局部。

三、LED顯示屏散熱設計實例

下面以實際安裝的戶外固定安裝LED顯示屏為例來探討散熱設計。

上面的圖片，為艾比森光電股份有限公司在國外實際安裝的戶外固定安裝LED顯示屏，型號為A1688，亮度為12000nit，最大功率為1150W。LED顯示屏大屏幕的散熱方式為自然冷卻散熱。綜合散熱成本、質量考慮，LED顯示屏箱體的散熱方式為風扇空氣強迫致冷散熱。

先來計算空氣對流量, 計算公式為L=Wr/( Cρ(tn- tl))

L：空氣對流量，m3/s;Wr：空氣強迫冷卻散熱量;C：空氣的比熱容，kJ/(kg℃);ρ：空氣的密度，kg/m3; tn：箱體內部溫度，℃;tl：降溫系統輸入的冷空氣溫度，℃

根據上面的公式，可以知道，如果要保證LED顯示屏箱體內部空氣溫度不超過tn℃，降溫系統需要輸入冷空氣的進風量為Wr/( Cρ(tn- tl))m3/s。重慶led顯示屏 m.changda0576.com

假設LED顯示屏箱體需要散熱的熱量為W，考慮到自然冷卻散熱、輻射散熱在箱體的整個散熱過程中起到的作用非常小，將W考慮為空氣強迫冷卻散熱量。精確計算LED顯示屏的內部發熱量，在工程上不太容易實現，通常采用估算法。由經驗可知：在以最大亮度播放靜止白色畫面時，A1688發熱功率約為300W，即Wr=0.3KW。通常情況下，LED顯示屏中，LED光源的發熱量占整屏發熱量約45%、驅動部分發熱占整屏發熱量約50%、控制器及連接線等占整屏發熱量約5%。

空氣的比熱容、空氣的密度，與空氣的溫度、濕度、壓力有關。查當地的歷史氣候數據，考慮到最不利的氣候條件，確定C=0.7 kJ/(kg℃)、ρ=0.7 kg/m3。

箱體內部溫度tn，是指箱體內的最高空氣溫度，通常在箱體的上部。查開關電源、驅動IC等電子零部件的規格書，確定tn為60℃。

根據當地氣候資料及安裝特點，確定降溫系統輸入的冷空氣溫度tl為40℃。

L=0.3/(0.7*0.7*(60-40))=0.031 m3/s

再來計算風扇處開口面積及風扇選型。

根據安裝地點的情況，采用通過風扇鼓風的散熱方式。

選用公司常用的風扇，風量為50CFM，換算為0.023 m3/s。因此，選用兩個風扇鼓風。