一種大尺寸雙冗余機(jī)載液晶顯示器的設(shè)計(jì)

金詩(shī)瑋，趙小珍，劉 波，趙玉冬，劉 陸

（1．中航華東光電有限公司，安徽 蕪湖241002；2．特種顯示技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，安徽 蕪湖241002；3．安徽省現(xiàn)代顯示技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 蕪湖241002）

0 引言

隨著科技的高度發(fā)展，信息化、智能化和現(xiàn)代化顯示器將應(yīng)用于現(xiàn)代社會(huì)的不同行業(yè)。目前，機(jī)載顯示器的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，僅僅掌握在極少數(shù)西方國(guó)家。在國(guó)內(nèi)，只有少數(shù)幾家單位建有國(guó)軍標(biāo)生產(chǎn)線，掌握機(jī)載液晶顯示器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。但是，現(xiàn)代化、大尺寸、多功能和多視窗的機(jī)載液晶顯示器，是顯示器未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。在此，論述一種大尺寸雙冗余機(jī)載液晶顯示器的設(shè)計(jì)方案，它集成了圖形生成、紅外觸控、多視窗功能以及采用雙冗余的設(shè)計(jì)方法，使顯示器能夠滿足軍事領(lǐng)域的使用要求。

1 總體方案設(shè)計(jì)

顯示器的總體方案主要從功能和環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行考慮設(shè)計(jì)。顯示器由5大組件組成，包括液晶屏、屏加熱組件、LED背光組件、結(jié)構(gòu)組件以及紅外觸摸組件。其顯示器的基本參數(shù)如表1所示。

表1 顯示器基本參數(shù)表

2 顯示器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)功能要求以及用戶外形特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)件主要由5個(gè)零件組成：上蓋板、面板、屏框架、散熱板以及隔板構(gòu)成。

上蓋板主要起到密封保護(hù)紅外觸摸組件的作用；面板主要密封液晶屏組件及固定紅外觸摸屏組件，也是整個(gè)模塊的承重零件；屏框架主要用來(lái)固定液晶屏組件，對(duì)液晶屏組件起到加固作用；散熱板主要固定背光組件，同時(shí)還起到散熱作用；隔板主要固定各電路板組件，同時(shí)配合散熱板形成密閉風(fēng)道。

2．1 抗振動(dòng)、沖擊設(shè)計(jì)

為了增強(qiáng)液晶屏抗振動(dòng)、沖擊性能，建立抗振動(dòng)、沖擊理論模型，通過(guò)ANSYS軟件，設(shè)定好邊界條件，進(jìn)行仿真分析。

根據(jù)液晶屏仿真結(jié)果的應(yīng)力分布云圖可知，在液晶屏四角和中間部分，受到的應(yīng)力最大。對(duì)應(yīng)力數(shù)據(jù)分析后，應(yīng)采用特殊工藝和加固方式對(duì)液晶屏進(jìn)行加固處理，其工藝處理措施如下：

a．對(duì)液晶屏進(jìn)行光學(xué)綁定，以增加玻璃基板的強(qiáng)度，光學(xué)膠對(duì)液晶屏起到減震、緩沖的作用，提高了液晶屏本身的抗振性能。

b．通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工藝處理對(duì)液晶屏進(jìn)行加固減振。選擇工程塑料做屏框架材料，此種材料對(duì)振動(dòng)有吸收作用，對(duì)液晶屏振動(dòng)有很好的緩沖。并且，屏框架內(nèi)腔與液晶屏之間留有0．7mm間隙，用來(lái)作灌封處理。

c．膜組放置在屏框架的前端，采用灌封的方式進(jìn)行加固處理。

2．2 TFT液晶屏加固設(shè)計(jì)

液晶屏為顯示器的關(guān)鍵部件，通過(guò)建立結(jié)構(gòu)的整體模型，對(duì)結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度進(jìn)行分析后，對(duì)易損、薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行加固，滿足國(guó)軍標(biāo)功能、耐久振動(dòng)等要求。

COF主要用于液晶顯示屏和T－CON板之間的信號(hào)傳輸。一般由聚酰胺薄膜內(nèi)置導(dǎo)電線路構(gòu)成，整體材質(zhì)較軟，兩端采用ACF連接到液晶屏玻璃和T－CON板上［1］。相較于普通尺寸的加固型顯示器，本顯示器尺寸更大，線路更密集，T－CON板的質(zhì)量更大。普通的加固工藝手段還不能達(dá)到加固、抗振的目的。

相對(duì)于T－CON板和液晶盒玻璃而言，COF由于是彈性材料，所以振動(dòng)過(guò)程中形變量最大。一體化大屏T－CON板上質(zhì)量不均衡（板上的元器件密度各個(gè)區(qū)域不一致），易造成柔性帶的應(yīng)力集中。針對(duì)一體化大屏的加固，會(huì)在中小尺寸屏的基礎(chǔ)上進(jìn)行更高強(qiáng)度的加固。對(duì)一些普通屏無(wú)需加固的地方，也會(huì)進(jìn)行點(diǎn)膠封裝和加固。COF結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 COF結(jié)構(gòu)

針對(duì)以上對(duì)COF分析，采取在垂直方向和水平方向進(jìn)行加固工藝處理，提高顯示器的可靠性。在下玻璃基板處涂覆加固膠，增強(qiáng)垂直方向上的抗震能力。同時(shí)，提高了彎曲裝配加固時(shí)的抗拉伸能力。在COF和T－CON板銜接處涂覆加固膠水，增強(qiáng)水平方向的抗震能力。由于T－CON板是剛性體，質(zhì)量相對(duì)較大，裝配時(shí)和結(jié)構(gòu)件進(jìn)行剛性連接，會(huì)導(dǎo)致COF和T－CON板在振動(dòng)過(guò)程中有相對(duì)位移，造成應(yīng)力集中，長(zhǎng)時(shí)間的工作時(shí)，ACF可靠性降低，造成隱患。所以，需要在COF和T－CON板連接處進(jìn)行額外的加固處理。

2．3 顯示器熱設(shè)計(jì)

2．3．1 熱源產(chǎn)生機(jī)理

溫度對(duì)LED性能產(chǎn)生重要的影響，包括色溫改變、波長(zhǎng)偏移、效率下降和正向電壓等，因此，熱設(shè)計(jì)對(duì)LED性能、光轉(zhuǎn)換效率以及應(yīng)用產(chǎn)生重要的影響。電子在LED內(nèi)部移動(dòng)中，都會(huì)因電阻的存在而消耗功率。電源克服PN結(jié)勢(shì)壘也要消耗功率，所消耗的功率符合電子學(xué)的基本定律：

RN為N區(qū)體電阻；RP為P區(qū)體電阻；VTH為PN結(jié)的閾值電壓，它是電源克服PN結(jié)勢(shì)壘電壓后的殘留電壓。消耗的功率產(chǎn)生的熱量為：

t為二極管導(dǎo)通的時(shí)間。

某一對(duì)電子－空穴的復(fù)合，是發(fā)生在一個(gè)點(diǎn)上。復(fù)合后的電子暫時(shí)被原子核束縛，但由于有電場(chǎng)和電流的連續(xù)性，同時(shí)會(huì)有一個(gè)電子脫離原子核的束縛，成為自由電子，產(chǎn)生新的電子－空穴對(duì)?？昭ㄏ騊N結(jié)方向擴(kuò)散，電子在電場(chǎng)的作用下，繼續(xù)向電源正極運(yùn)動(dòng)（根據(jù)半導(dǎo)體物理理論，可以看作電源正極向P區(qū)注入空穴）。統(tǒng)計(jì)來(lái)看，可以看作是一個(gè)電子連續(xù)穿過(guò)半導(dǎo)體區(qū)內(nèi)的全部路程，它經(jīng)歷了路途的所有電阻，所形成的電流通過(guò)電阻產(chǎn)生熱量［2］。

LED背光燈板由多顆LED燈通過(guò)串、并聯(lián)的方式構(gòu)成直下式背光源。目前，LED燈的發(fā)光效率僅能達(dá)到17%左右，也就是說(shuō)，大約83%能量轉(zhuǎn)換為熱能。因此，背光源的熱設(shè)計(jì)成為顯示器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。

通過(guò)設(shè)定顯示器邊界條件和約束條件，建立LED背光燈板的仿真模型，通過(guò)仿真，得出LED燈板的溫度分布情況。

根據(jù)溫度分布云圖，單顆LED的熱功率為0．04 W，熱阻約為120℃／W，燈板上的最高溫度為83℃，可以計(jì)算LED芯片處的溫度約為88℃。通過(guò)仿真結(jié)果，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可削弱溫度對(duì)LED性能以及可靠性的影響。

2．3．2 熱設(shè)計(jì)

根據(jù)熱源產(chǎn)生的機(jī)理，為使顯示器在高溫下可靠工作，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，分別從傳導(dǎo)、輻射和對(duì)流散熱方式考慮，增加散熱性能，提高顯示器工作的可靠性。

a．熱傳導(dǎo)。熱傳導(dǎo)為熱量由一個(gè)系統(tǒng)傳遞到另一個(gè)系統(tǒng)的過(guò)程。其熱傳導(dǎo)傳遞的熱量為：

Q為單位時(shí)間熱傳導(dǎo)傳遞的熱量；ΔT為熱傳導(dǎo)溫度差。

L為路徑長(zhǎng)度；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；S為傳導(dǎo)面積。

在導(dǎo)熱系數(shù)方面，主要的散熱結(jié)構(gòu)材料為硬鋁，導(dǎo)熱系數(shù)為200 W／（cm·℃）；在接觸面積方面，由于背光燈板與結(jié)構(gòu)件接觸面加工誤差原因，不可能絕對(duì)平整和光滑，因此，表面接觸僅發(fā)生在離散的接觸面上。為了增加接觸面積，降低熱傳遞過(guò)程中的熱阻，在背光燈板與結(jié)構(gòu)件間貼一層延展性較好、導(dǎo)熱系數(shù)高的導(dǎo)熱墊片，導(dǎo)熱系數(shù)為3 W／（cm·℃），提高導(dǎo)熱能力。

b．熱輻射。熱輻射是溫度而產(chǎn)生的以電磁波形式向外發(fā)射能量。溫度是電子振動(dòng)和激發(fā)的基本原因，故熱輻射基本取決于溫度。物體的表面狀態(tài)及面積對(duì)熱輻射也有影響，一般來(lái)講，深色物體熱輻射系數(shù)較大。對(duì)于顯示器而言，通過(guò)表面噴黑漆來(lái)增加熱輻射強(qiáng)度。

c．對(duì)流。對(duì)流是通過(guò)介質(zhì)及介質(zhì)本身的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行的能量傳遞，是顯示器向外部環(huán)境散熱的主要方式。其對(duì)流公式為：

在對(duì)流散熱中，可以通過(guò)增加散熱面積和強(qiáng)迫風(fēng)冷提高換熱系數(shù)，來(lái)提高自然散熱效率。

在增加散熱面積方面，通過(guò)在散熱板上設(shè)計(jì)散熱肋片來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖2所示。

圖2 散熱板結(jié)構(gòu)

為進(jìn)一步提高背光散熱效率，增強(qiáng)對(duì)流散熱，針對(duì)背光系統(tǒng)，采用風(fēng)冷強(qiáng)制散熱。在散熱板與中蓋板之間有一中段密封腔體，在腔體一端裝有風(fēng)扇，通過(guò)風(fēng)扇抽風(fēng)的方式，使冷風(fēng)從模塊一端，經(jīng)過(guò)散熱片從另一端流出，帶走腔體內(nèi)的熱量。

2．4 電磁兼容設(shè)計(jì)

對(duì)于顯示器的電磁屏蔽，從屏蔽材料、結(jié)構(gòu)密封以及開孔等方面都做了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［3］。

2．4．1 屏蔽材料的選擇

為提高電磁屏蔽性能，結(jié)構(gòu)件外殼要保證導(dǎo)電性及密封性。外殼結(jié)構(gòu)件進(jìn)行導(dǎo)電氧化處理，其接觸電阻小于900 mΩ／mm2。各零件的連接均采用臺(tái)階搭接，增加接觸面積，提高密封性能。

在濾光片與結(jié)構(gòu)件之間，選用屏蔽鋁箔進(jìn)行搭接。此種鋁箔導(dǎo)電性能好，可實(shí)現(xiàn)濾光片與結(jié)構(gòu)件間的電連續(xù)性。

2．4．2 密封處理

屏蔽體的連續(xù)性是影響結(jié)構(gòu)件屏蔽效能最主要的因素。

對(duì)于模塊開口部分搭接，在結(jié)構(gòu)面板上，設(shè)計(jì)時(shí)專門留一凹槽放置導(dǎo)電泡棉，增大縫隙路徑，減少輻射。對(duì)于結(jié)構(gòu)件間的配合，均采用臺(tái)階搭接的方式，加強(qiáng)屏蔽體的連續(xù)性。

2．4．3 開孔大小及排布設(shè)計(jì)

對(duì)于開孔排布，一般分為順序排列和錯(cuò)位排列。如圖3所示。

圖3 開孔排列

在低頻段，順序排列要比錯(cuò)位排列屏蔽效能好一些，主要是因?yàn)殄e(cuò)位排列使磁路長(zhǎng)度增加，造成屏蔽效能下降。但在中高頻段，孔位排列形勢(shì)影響不大?？紤]到通風(fēng)散熱，相同面積錯(cuò)位排列通風(fēng)面積更大。

產(chǎn)品中，最小波長(zhǎng)約為700 mm，當(dāng)縫隙長(zhǎng)度為波長(zhǎng)（截止頻率）的一半時(shí)，RF波開始以20 d B／10倍頻（1／10截止頻率）或6 dB／8倍頻（1／2截止頻率）的速率衰減。如果對(duì)頻率432 MHz（波長(zhǎng)為700 mm）的輻射衰減至26 dB，則350 mm的縫隙將會(huì)開始產(chǎn)生衰減，當(dāng)存在小于350 mm的縫隙時(shí)，432 MHz輻射就會(huì)被衰減。對(duì)于432 MHz頻率來(lái)講，若需要衰減20 d B，則縫隙應(yīng)小于35 mm（350 mm的1／10），需要衰減26 dB時(shí)，縫隙應(yīng)小于17．5 mm（35 mm的1／2以上），需要衰減32 d B時(shí)，縫隙應(yīng)小于8．7 mm（17．5 mm的1／2以上）。

對(duì)于孔的大小及排布，通過(guò)計(jì)算以及對(duì)液晶屏的測(cè)試，可得輻射頻率為54 MHz倍頻，最高頻率為432 MHz。綜合考慮，進(jìn)氣孔采用錯(cuò)位排列，進(jìn)風(fēng)孔直徑d設(shè)計(jì)為3 mm，可以滿足屏蔽要求。

3 顯示器雙冗余設(shè)計(jì)

3．1 T－CON電源雙冗余設(shè)計(jì)

T－CON板電源為冗余備份電源，只要有1路電源正常，整塊液晶屏的信號(hào)就正常顯示。通過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)和調(diào)研，選用Linear公司生產(chǎn)的LTC4352或門電路控制MOS管，此電路在線路上產(chǎn)生的壓降幾乎忽略不計(jì)，并且具有過(guò)壓、欠壓保護(hù)功能。LTC4352也可以自動(dòng)調(diào)整2路電壓欠壓，欠壓的MOS管會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。具體的原理如圖4所示。

圖4 T－CON板電源冗余設(shè)計(jì)原理

圖4中，只要有1路電源正常，液晶屏1和液晶屏2都可以正常工作。消除了由于獨(dú)立供電，造成液晶屏分別工作，啟動(dòng)時(shí)間不一致等不良現(xiàn)象，從而形成有效的電源冗余設(shè)計(jì)機(jī)制，增強(qiáng)了顯示器工作時(shí)的可靠性。

3．2 視頻板信號(hào)處理雙冗余設(shè)計(jì)

視頻板的主要功能是提供適合于液晶屏有效格式的圖像信號(hào)。在顯示器的視頻板硬件電路設(shè)計(jì)中，分別有2路視頻處理系統(tǒng)，在FPGA邏輯代碼設(shè)計(jì)中，通過(guò)自動(dòng)檢測(cè)外部輸入信號(hào)的有無(wú)，來(lái)判斷送入液晶顯示器是第1路信號(hào)，還是第2路信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)第1路信號(hào)無(wú)輸入時(shí)，則視頻板立即切換到第2路信號(hào)；假如視頻板檢測(cè)到第2路仍無(wú)信號(hào)時(shí)，則視頻處理板啟動(dòng)內(nèi)部生成的圖像信號(hào)，與外界進(jìn)行總線通信，確保顯示器能夠顯示重要的參數(shù)信息，滿足飛行員的需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)大尺寸雙冗余機(jī)載液晶顯示器的設(shè)計(jì)，從功能設(shè)計(jì)以及環(huán)境適應(yīng)性要求出發(fā)，分析了顯示器的各參數(shù)要求，并且，根據(jù)熱源產(chǎn)生機(jī)理以及電磁輻射產(chǎn)生機(jī)理，對(duì)顯示器進(jìn)行熱設(shè)計(jì)和電磁兼容設(shè)計(jì)。另外，對(duì)顯示器中關(guān)鍵件建立抗振動(dòng)、沖擊理論模型，通過(guò)軟件仿真，指導(dǎo)結(jié)構(gòu)、工藝設(shè)計(jì)，保證產(chǎn)品振動(dòng)、沖擊的可靠性。此外，在顯示器產(chǎn)品中，引入冗余設(shè)計(jì)，增加了產(chǎn)品工作時(shí)的可靠性。顯示器已經(jīng)交于用戶使用，其性能可靠、穩(wěn)定，實(shí)用性強(qiáng)。

［1］ 馬群剛．TFT－LCD原理與設(shè)計(jì)［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2011．

［2］ Arik M，Becker C，Weaver S，et al．Thermal management of LEDs：package to system［C］．Proceedings of SPIE，2004．64－75．

［3］ 楊克?。姶偶嫒菰砼c設(shè)計(jì)技術(shù)［M］．北京：人民郵電出版社，2004．