抬頭顯示器TFT屏被動散熱方案仿真與驗證

邱度金，劉 鵬，張小宇

（惠州市華陽多媒體電子有限公司， 廣東惠州 516006）

0 引言

隨著技術進步與人類出行的增加，因交通安全造成的事故與財產損失不斷增大。各種交通設備中越來越趨近于通過各種傳感設備與輔助設備增加駕駛員的感知便利性與駕駛的安全性。其中抬頭顯示器（Heads-up Display，HUD）就是一種能夠提供輔助駕駛安全的設備。目前HUD的投影技術，主要有LCD(液晶顯示)投影、DLP(數字光處理)投影以及激光掃描投影[1-5]。平板結構形式的TFT 液晶顯示器以其薄、輕、環(huán)境適應能力強而越來越多地應用于工業(yè)、商業(yè)、家庭等各種信息、圖像顯示的場所，也越來越多地應用于車載、機載顯示。本文主要以車載抬頭顯示為應用背景，TFT 在工作時自身是不會發(fā)光的，需要背光將TFT 照亮，而背光中絕大多數在經過TFT時會被TFT吸收。被TFT吸收的光會轉化為熱，引起TFT 溫度升高。在白天有陽光時，會出現(xiàn)一種極端情況：HUD投射到擋風玻璃上的光線角度正好與太陽光照射到擋風玻璃的角度相同，此時太陽光會沿著HUD光路逆向進入HUD內部，最終在TFT 附近匯聚[6-7]。匯聚到TFT 附近的陽光照射到TFT表面會形成光斑[8-12]，光斑輻照度是入射陽光輻照度的數倍或數十倍，光斑的能量同樣大部分會被TFT 吸收，引起TFT 局部過熱。當上述兩種情況疊加時，如果沒有做好適當的TFT 降溫措施，則TFT 溫度會超出屏本身所能承受的極限溫度，造成HUD無法成像，甚至燒毀屏幕。

本文針對HUD工作時TFT屏可能溫度過高進行理論研究與設計仿真，通過幾個方向對TFT 屏進行散熱分析和驗證，為保證HUD 在使用過程中不會出現(xiàn)TFT 溫度過高提供解決方案。

1 TFT屏導熱建模

以某一款產品為例，基于TFT 投影技術的HUD TFT 部分產品裝配關系如圖1（a）所示，其中TFT 支架材質為塑膠，TFT 模組由塑膠框、TFT 屏幕(兩層玻璃將液晶夾持在中間)、TFT金屬框組成。TFT模組與TFT支架之間安裝有塑膠材質的擴散板，TFT模組與TFT支架之間為局部點接觸。

為了給TFT 屏導熱，在TFT 金屬框與TFT 支架之間增加導熱硅膠，以增大TFT 金屬框與TFT 支架之間的接觸面積，同時將TFT 支架材質由塑膠替換為導熱性能優(yōu)良的Al6061 進行散熱，分解圖如圖1（b）所示。

圖1 TFT導熱方案模型

2 TFT屏導熱仿真與測試

仿真與測試時將TFT 置于密閉空間內，在有無太陽負載條件下，對模型仿真結果與實際測試結果對比。

當HUD正常工作時，背光由兩顆LED組成，每顆LED工作電壓為3.1 V，電流為0.34 A，使用積分球測得的發(fā)光效率為0.252，TFT 屏透過率為6%，背光被TFT 吸收的比例為94%。據此可計算背光工作時被TFT屏吸收轉換為熱的功率為0.499 W。仿真與測試時在TFT 背光接收側設置0.499 W 的熱功率，根據陽光福照度能量分布與HUD光路設計仿真，陽光照射到TFT屏正面的熱流密度平均值為11496 W/ m3。各種材料導熱性能參數如表1所示。

表1 材料導熱性能參數

TFT 的熱量傳遞方向如圖2 所示，通過TFT 屏上的金屬框傳遞至導熱硅膠再到擴散板，最終傳遞至TFT 支 架。TFT 屏 幕 的玻璃和金屬框之間上下有兩個雙面膠，用來連接玻璃與金屬框。金屬框與TFT 的溫度CAE 模擬分析結果及測試記過如表2～3所示。

表2 CAE模擬分析結果

圖2 熱傳遞圖解

實際測試：在室內環(huán)境溫度為27.5 ℃，無導熱硅膠、TFT支架為塑膠時，HUD 內部溫度為35.8 ℃。室內環(huán)境溫度為25.2 ℃，增加導熱硅膠，TFT 支架由塑膠變?yōu)锳L6061 時，HUD 內部環(huán)境溫度為31.75 ℃。此時，由于環(huán)境溫度相差2.3 ℃，所得結果約為：65.95-2.3-59.3=4.35 ℃；

在室外環(huán)境，環(huán)境溫度為32 ℃，無太陽負載照射HUD時，HUD 的內部溫度為44 ℃，有太陽負載時HUD 內部溫度為50 ℃。

當外部環(huán)境溫度為32 ℃時，通過測試發(fā)現(xiàn)：

（1）太陽光照射到HUD 外殼上，外殼會吸收熱量，使HUD整體溫度上升，HUD內部空氣溫度會比外部環(huán)境溫度會高10 ℃以上；

（2）當有太陽負載進入HUD 內部時，TFT 屏溫度升高非常多，因HUD內部空間有限，實測HUD內部空氣溫度會上升15 ℃以上。

對比仿真結果和測試結論如下：

（1）仿真結果與實際最大相差4.7 ℃，仿真結果準確；

（2）通過給TFT 導熱的散熱效果與HUD 工作的環(huán)境溫度相關，環(huán)境溫度越低效果越好，環(huán)境溫度越高，散熱效果不明顯；

（3）從表2 與表3 數據可以看出，當無太陽倒灌時，TFT支架材料由塑膠更換為AL6061 后TFT 最高溫度可降4 ℃左右，當有太陽負載時，TFT最高溫度降2 ℃左右。

表3 測試結果

2.1 太陽光對TFT溫度影響仿真分析

2.1.1 無太陽光照射

室內環(huán)境為27.5 ℃，背光給TFT的熱功率設置為0.499 W，TFT 組件置于封閉條件下，無太陽光照射，對現(xiàn)狀產品和增加導熱硅膠與TFT支架更改為AL6061進行仿真仿真，仿真結果如圖3～4所示。由仿真結果可以看出更換材料前后TFT屏的溫度差值為5.2 ℃。

圖3 現(xiàn)狀材料（無導熱硅膠，TFT支架為PC+ABS）

圖4 更換材料（增加導熱硅膠，TFT支架材料變?yōu)锳l6061）

2.1.2 太陽光照射外殼

室內環(huán)境為32℃，背光溫度設置為0.499 W， TFT組件置于封閉條件下，太陽光照射在HUD 外殼，未照射到HUD 內部，將現(xiàn)狀產品和增加導熱硅膠與TFT支架更改為AL6061仿真，仿真結果如圖5～6所示，由圖可看出更換材料前后TFT屏溫度差值為6.3 ℃。

圖5 現(xiàn)狀材料太陽照射外殼（無導熱硅膠，TFT支架為PC+ABS)

圖6 更換材料太陽照射外殼（增加導熱硅膠，TFT支架材料變?yōu)锳l6061）

2.1.3 太陽光照射HUD內部

室內環(huán)境為32 ℃，背光溫度設置為0.499 W， TFT 組件置于封閉條件下，太陽光照射在HUD內部鏡子上，對現(xiàn)狀產品和增加導熱硅膠與TFT支架更改為AL6061進行仿真，仿真結果如圖7～8所示。由圖可看出更換材料前后TFT屏溫度差值為2.58 ℃。

圖7 現(xiàn)狀材料太陽照射HUD內部（無導熱硅膠，TFT支架為PC+ABS)

圖8 更換材料太陽照射HUD 內部（增加導熱硅膠，TFT支架材料變?yōu)锳l6061）

2.2 環(huán)境對TFT屏導熱影響測試

試驗機型如圖9（a）所示，將其置于室內環(huán)境，為了消除空氣對流對產品測試結果準確性的影響，HUD密封情況下進行測試。

圖9 HUD產品及測試結果

實測結果如圖9（b）所示，其中，1 為HUD 內部環(huán)境溫度；2 為TFT 屏金屬框溫度；3 為TFT 背面中心溫度；5 為TFT 屏正面中心溫度。 TFT 屏中心溫度最高，達到65.95 ℃。

2.2.1 室內環(huán)境

將被測對象其置于室內環(huán)境，HUD 密封情況下進行測試，在TFT 金屬框上貼導熱硅膠， TFT 支架材料從塑膠更換為Al6061進行溫度測試，產品結構組成如圖10（a）所示，測試結果如圖10（b）所示。對比溫度測試結果與續(xù)表1 CAE仿真結果可知，CAE 仿真結果與實際測試結果相差4 ℃左右（HUD內部溫度相差35.8-31.75=4.07 ℃）。

圖10 更換材料后測試結果

2.2.2 溫箱環(huán)境

將被測對象置于溫度為50 ℃的恒溫箱內，HUD密封情況下進行測試，更換TFT支架（材料為Al6061)、貼導熱硅膠實際測試。如圖11（a）所示，HUD用紙箱封閉，杜絕溫箱內對流風影響測試結果，再將封閉紙箱放入溫箱位置，如圖11（b）所示，使用測溫儀進行溫度測量。

圖11 溫箱測溫（50 ℃）

如表4所示，更換TFT支架為鋁（AL6061）后，TFT屏最高溫度只降2.3 ℃，與表2 在室外環(huán)境有太陽倒灌時，更換TFT支架后，TFT屏最高溫度可降低2 ℃相近。

表4 恒溫箱內更換TFT支架前后測試數據表

通過分析以上CAE 仿真和測試數據，可知在TFT 與TFT支架之間增加導熱硅膠并將TFT屏支架材料改為AL6061，將TFT的熱量導走這種方案理論上是有效的，但TFT屏溫度變化影響很小，散熱不理想；TFT 屏溫度與環(huán)境溫度和HUD 內部空間溫度相關。

3 加大背光散熱面積，降低背光對TFT 熱傳導測試

HUD 在沒有太陽負載的時候TFT 屏的溫度升高是由背光引起的，理論分析其溫度升高由兩方面原因引起，一是背光發(fā)出的光被TFT 吸收產生的熱量，二是背光LED 組件自身也會發(fā)熱，發(fā)出的熱量通過輻射和傳導也有可能引起TFT 溫升。其中背光發(fā)光被TFT 吸收升溫是TFT 自身特點決定的，在現(xiàn)有技術條件下是無法改善的，因此考慮改善背光發(fā)熱的輻射和傳導對TFT的溫升影響。

3.1 測試條件

常溫、高溫50 ℃環(huán)境下，散熱器面積從在原有的13708 mm2增大到74388 mm2，TFT支架為AL6061，開機2 h以上確認各項溫度穩(wěn)定后讀取數值并記錄開啟風扇前后溫度。

3.2 安裝方式

圖12（a）所示為增大后的散熱器，如12（b）所示，將原有的散熱體替換為增大散熱面積的散熱器，常溫測試按圖12（a）～（c）安裝步驟進行，高溫50 ℃情況下測試按圖12（a）～（d）步驟進行，將HUD放置在紙箱中并封閉，放入溫箱中進行測試。

圖12 增大散熱面積測試方案

3.3 增大背光散熱面積測試結果

如表5～6 所示，更換TFT 支架材料和增加散熱器面積對TFT屏溫度變化不太明顯（常溫下最小溫度變化2.1 ℃，但最高溫度變化為4.7 ℃。高溫下最小溫度和最高溫度變化為1 ℃和2.25 ℃）。增加散熱器散熱面積對散熱器本身溫度有明顯改善，常溫可降14.25 ℃，高溫變化9.9 ℃?？芍涸黾由崞魃崦娣e對TFT 屏溫度差異不大，對散熱器自身溫度有明顯改善。

表5 TFT支架更換前、后及增加散熱面積常溫測試結果

4 結束語

本文針對抬頭顯示器的TFT 屏工作時溫度過高進行研究，在常溫與高溫50 ℃左右進行測試對比，同時研究了太陽光對HUD內部溫度的影響。方案一通過在TFT屏增加導熱硅膠和將TFT 支架更改散熱性能更好的材料將TFT 的熱量導走，方案二是增大背光散熱面積，期望減小背光熱量輻射和傳導到TFT。通過模擬仿真和測試證實以上兩種方案可以降低TFT 的溫度，CAE 仿真結果與實測結果比較接近。以上仿真與測試結果表明采用被動降溫的方式給TFT 降溫效果不顯著，需要考慮其他降溫方式。

表6 TFT支架更換前、后及增加散熱面積50 ℃測試結果