一種大尺寸雙冗余機載液晶顯示器的設計

金詩瑋，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．特種顯示技術國家工程實驗室，安徽 蕪湖241002；3．安徽省現代顯示技術重點實驗室，安徽 蕪湖241002）

0 引言

隨著科技的高度發展，信息化、智能化和現代化顯示器將應用于現代社會的不同行業。目前，機載顯示器的設計和制造技術，僅僅掌握在極少數西方國家。在國內，只有少數幾家單位建有國軍標生產線，掌握機載液晶顯示器設計的關鍵技術。但是，現代化、大尺寸、多功能和多視窗的機載液晶顯示器，是顯示器未來發展的趨勢。在此，論述一種大尺寸雙冗余機載液晶顯示器的設計方案，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計方法，使顯示器能夠滿足軍事領域的使用要求。

1 總體方案設計

顯示器的總體方案主要從功能和環境適應性進行考慮設計。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、結構組件以及紅外觸摸組件。其顯示器的基本參數如表1所示。

表1 顯示器基本參數表

2 顯示器結構設計

根據功能要求以及用戶外形特點，結構件主要由5個零件組成：上蓋板、面板、屏框架、散熱板以及隔板構成。

上蓋板主要起到密封保護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，也是整個模塊的承重零件；屏框架主要用來固定液晶屏組件，對液晶屏組件起到加固作用；散熱板主要固定背光組件，同時還起到散熱作用；隔板主要固定各電路板組件，同時配合散熱板形成密閉風道。

2．1 抗振動、沖擊設計

為了增強液晶屏抗振動、沖擊性能，建立抗振動、沖擊理論模型，通過ANSYS軟件，設定好邊界條件，進行仿真分析。

根據液晶屏仿真結果的應力分布云圖可知，在液晶屏四角和中間部分，受到的應力最大。對應力數據分析后，應采用特殊工藝和加固方式對液晶屏進行加固處理，其工藝處理措施如下：

a．對液晶屏進行光學綁定，以增加玻璃基板的強度，光學膠對液晶屏起到減震、緩沖的作用，提高了液晶屏本身的抗振性能。

b．通過結構設計及工藝處理對液晶屏進行加固減振。選擇工程塑料做屏框架材料，此種材料對振動有吸收作用，對液晶屏振動有很好的緩沖。并且，屏框架內腔與液晶屏之間留有0．7mm間隙，用來作灌封處理。

c．膜組放置在屏框架的前端，采用灌封的方式進行加固處理。

2．2 TFT液晶屏加固設計

液晶屏為顯示器的關鍵部件，通過建立結構的整體模型，對結構的整體強度進行分析后，對易損、薄弱環節進行加固，滿足國軍標功能、耐久振動等要求。

COF主要用于液晶顯示屏和T－CON板之間的信號傳輸。一般由聚酰胺薄膜內置導電線路構成，整體材質較軟，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板的質量更大。普通的加固工藝手段還不能達到加固、抗振的目的。

相對于T－CON板和液晶盒玻璃而言，COF由于是彈性材料，所以振動過程中形變量最大。一體化大屏T－CON板上質量不均衡（板上的元器件密度各個區域不一致），易造成柔性帶的應力集中。針對一體化大屏的加固，會在中小尺寸屏的基礎上進行更高強度的加固。對一些普通屏無需加固的地方，也會進行點膠封裝和加固。COF結構如圖1所示。

圖1 COF結構

針對以上對COF分析，采取在垂直方向和水平方向進行加固工藝處理，提高顯示器的可靠性。在下玻璃基板處涂覆加固膠，增強垂直方向上的抗震能力。同時，提高了彎曲裝配加固時的抗拉伸能力。在COF和T－CON板銜接處涂覆加固膠水，增強水平方向的抗震能力。由于T－CON板是剛性體，質量相對較大，裝配時和結構件進行剛性連接，會導致COF和T－CON板在振動過程中有相對位移，造成應力集中，長時間的工作時，ACF可靠性降低，造成隱患。所以，需要在COF和T－CON板連接處進行額外的加固處理。

2．3 顯示器熱設計

2．3．1 熱源產生機理

溫度對LED性能產生重要的影響，包括色溫改變、波長偏移、效率下降和正向電壓等，因此，熱設計對LED性能、光轉換效率以及應用產生重要的影響。電子在LED內部移動中，都會因電阻的存在而消耗功率。電源克服PN結勢壘也要消耗功率，所消耗的功率符合電子學的基本定律：

RN為N區體電阻；RP為P區體電阻；VTH為PN結的閾值電壓，它是電源克服PN結勢壘電壓后的殘留電壓。消耗的功率產生的熱量為：

t為二極管導通的時間。

某一對電子－空穴的復合，是發生在一個點上。復合后的電子暫時被原子核束縛，但由于有電場和電流的連續性，同時會有一個電子脫離原子核的束縛，成為自由電子，產生新的電子－空穴對。空穴向PN結方向擴散，電子在電場的作用下，繼續向電源正極運動（根據半導體物理理論，可以看作電源正極向P區注入空穴）。統計來看，可以看作是一個電子連續穿過半導體區內的全部路程，它經歷了路途的所有電阻，所形成的電流通過電阻產生熱量［2］。

LED背光燈板由多顆LED燈通過串、并聯的方式構成直下式背光源。目前，LED燈的發光效率僅能達到17%左右，也就是說，大約83%能量轉換為熱能。因此，背光源的熱設計成為顯示器設計的關鍵因素。

通過設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，通過仿真，得出LED燈板的溫度分布情況。

根據溫度分布云圖，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℃，可以計算LED芯片處的溫度約為88℃。通過仿真結果，對結構進行優化設計，可削弱溫度對LED性能以及可靠性的影響。

2．3．2 熱設計

根據熱源產生的機理，為使顯示器在高溫下可靠工作，在進行結構設計時，分別從傳導、輻射和對流散熱方式考慮，增加散熱性能，提高顯示器工作的可靠性。

a．熱傳導。熱傳導為熱量由一個系統傳遞到另一個系統的過程。其熱傳導傳遞的熱量為：

Q為單位時間熱傳導傳遞的熱量；ΔT為熱傳導溫度差。

L為路徑長度；λ為導熱系數；S為傳導面積。

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

b．熱輻射。熱輻射是溫度而產生的以電磁波形式向外發射能量。溫度是電子振動和激發的基本原因，故熱輻射基本取決于溫度。物體的表面狀態及面積對熱輻射也有影響，一般來講，深色物體熱輻射系數較大。對于顯示器而言，通過表面噴黑漆來增加熱輻射強度。

c．對流。對流是通過介質及介質本身的運動進行的能量傳遞，是顯示器向外部環境散熱的主要方式。其對流公式為：

在對流散熱中，可以通過增加散熱面積和強迫風冷提高換熱系數，來提高自然散熱效率。

在增加散熱面積方面，通過在散熱板上設計散熱肋片來實現。如圖2所示。

圖2 散熱板結構

為進一步提高背光散熱效率，增強對流散熱，針對背光系統，采用風冷強制散熱。在散熱板與中蓋板之間有一中段密封腔體，在腔體一端裝有風扇，通過風扇抽風的方式，使冷風從模塊一端，經過散熱片從另一端流出，帶走腔體內的熱量。

2．4 電磁兼容設計

對于顯示器的電磁屏蔽，從屏蔽材料、結構密封以及開孔等方面都做了系統的設計［3］。

2．4．1 屏蔽材料的選擇

為提高電磁屏蔽性能，結構件外殼要保證導電性及密封性。外殼結構件進行導電氧化處理，其接觸電阻小于900 mΩ／mm2。各零件的連接均采用臺階搭接，增加接觸面積，提高密封性能。

在濾光片與結構件之間，選用屏蔽鋁箔進行搭接。此種鋁箔導電性能好，可實現濾光片與結構件間的電連續性。

2．4．2 密封處理

屏蔽體的連續性是影響結構件屏蔽效能最主要的因素。

對于模塊開口部分搭接，在結構面板上，設計時專門留一凹槽放置導電泡棉，增大縫隙路徑，減少輻射。對于結構件間的配合，均采用臺階搭接的方式，加強屏蔽體的連續性。

2．4．3 開孔大小及排布設計

對于開孔排布，一般分為順序排列和錯位排列。如圖3所示。

圖3 開孔排列

在低頻段，順序排列要比錯位排列屏蔽效能好一些，主要是因為錯位排列使磁路長度增加，造成屏蔽效能下降。但在中高頻段，孔位排列形勢影響不大。考慮到通風散熱，相同面積錯位排列通風面積更大。

產品中，最小波長約為700 mm，當縫隙長度為波長（截止頻率）的一半時，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。如果對頻率432 MHz（波長為700 mm）的輻射衰減至26 dB，則350 mm的縫隙將會開始產生衰減，當存在小于350 mm的縫隙時，432 MHz輻射就會被衰減。對于432 MHz頻率來講，若需要衰減20 d B，則縫隙應小于35 mm（350 mm的1／10），需要衰減26 dB時，縫隙應小于17．5 mm（35 mm的1／2以上），需要衰減32 d B時，縫隙應小于8．7 mm（17．5 mm的1／2以上）。

對于孔的大小及排布，通過計算以及對液晶屏的測試，可得輻射頻率為54 MHz倍頻，最高頻率為432 MHz。綜合考慮，進氣孔采用錯位排列，進風孔直徑d設計為3 mm，可以滿足屏蔽要求。

3 顯示器雙冗余設計

3．1 T－CON電源雙冗余設計

T－CON板電源為冗余備份電源，只要有1路電源正常，整塊液晶屏的信號就正常顯示。通過相關實驗和調研，選用Linear公司生產的LTC4352或門電路控制MOS管，此電路在線路上產生的壓降幾乎忽略不計，并且具有過壓、欠壓保護功能。LTC4352也可以自動調整2路電壓欠壓，欠壓的MOS管會自動關閉。具體的原理如圖4所示。

圖4 T－CON板電源冗余設計原理

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。消除了由于獨立供電，造成液晶屏分別工作，啟動時間不一致等不良現象，從而形成有效的電源冗余設計機制，增強了顯示器工作時的可靠性。

3．2 視頻板信號處理雙冗余設計

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。在顯示器的視頻板硬件電路設計中，分別有2路視頻處理系統，在FPGA邏輯代碼設計中，通過自動檢測外部輸入信號的有無，來判斷送入液晶顯示器是第1路信號，還是第2路信號。當檢測第1路信號無輸入時，則視頻板立即切換到第2路信號；假如視頻板檢測到第2路仍無信號時，則視頻處理板啟動內部生成的圖像信號，與外界進行總線通信，確保顯示器能夠顯示重要的參數信息，滿足飛行員的需求。

4 結束語

針對大尺寸雙冗余機載液晶顯示器的設計，從功能設計以及環境適應性要求出發，分析了顯示器的各參數要求，并且，根據熱源產生機理以及電磁輻射產生機理，對顯示器進行熱設計和電磁兼容設計。另外，對顯示器中關鍵件建立抗振動、沖擊理論模型，通過軟件仿真，指導結構、工藝設計，保證產品振動、沖擊的可靠性。此外，在顯示器產品中，引入冗余設計，增加了產品工作時的可靠性。顯示器已經交于用戶使用，其性能可靠、穩定，實用性強。

［1］ 馬群剛．TFT－LCD原理與設計［M］．北京：電子工業出版社，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］ 楊克俊．電磁兼容原理與設計技術［M］．北京：人民郵電出版社，2004．