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(shù)進(jìn)步與人類出行的增加，因交通安全造成的事故與財產(chǎn)損失不斷增大。各種交通設(shè)備中越來越趨近于通過各種傳感設(shè)備與輔助設(shè)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(shè)備。目前HUD的投影技術(shù)，主要有LCD(液晶顯示)投影、DLP(數(shù)字光處理)投影以及激光掃描投影[1-5]。平板結(jié)構(gòu)形式的TFT 液晶顯示器以其薄、輕、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)而越來越多地應(yīng)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(yīng)用于車載、機(jī)載顯示。本文主要以車載抬頭顯示為應(yīng)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(shù)在經(jīng)過TFT時會被TFT吸收。被TFT吸收的光會轉(zhuǎn)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(fēng)玻璃上的光線角度正好與太陽光照射到擋風(fēng)玻璃的角度相同，此時太陽光會沿著HUD光路逆向進(jìn)入HUD內(nèi)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(shù)倍或數(shù)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(dāng)上述兩種情況疊加時，如果沒有做好適當(dāng)?shù)腡FT 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(jìn)行理論研究與設(shè)計仿真，通過幾個方向?qū)FT 屏進(jìn)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(dǎo)熱建模

以某一款產(chǎn)品為例，基于TFT 投影技術(shù)的HUD TFT 部分產(chǎn)品裝配關(guān)系如圖1（a）所示，其中TFT 支架材質(zhì)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(zhì)的擴(kuò)散板，TFT模組與TFT支架之間為局部點(diǎn)接觸。

為了給TFT 屏導(dǎo)熱，在TFT 金屬框與TFT 支架之間增加導(dǎo)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(zhì)由塑膠替換為導(dǎo)熱性能優(yōu)良的Al6061 進(jìn)行散熱，分解圖如圖1（b）所示。

圖1 TFT導(dǎo)熱方案模型

2 TFT屏導(dǎo)熱仿真與測試

仿真與測試時將TFT 置于密閉空間內(nèi)，在有無太陽負(fù)載條件下，對模型仿真結(jié)果與實(shí)際測試結(jié)果對比。

當(dāng)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(jù)此可計算背光工作時被TFT屏吸收轉(zhuǎn)換為熱的功率為0.499 W。仿真與測試時在TFT 背光接收側(cè)設(shè)置0.499 W 的熱功率，根據(jù)陽光福照度能量分布與HUD光路設(shè)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(dǎo)熱性能參數(shù)如表1所示。

表1 材料導(dǎo)熱性能參數(shù)

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(dǎo)熱硅膠再到擴(kuò)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(jié)果及測試記過如表2～3所示。

表2 CAE模擬分析結(jié)果

圖2 熱傳遞圖解

實(shí)際測試：在室內(nèi)環(huán)境溫度為27.5 ℃，無導(dǎo)熱硅膠、TFT支架為塑膠時，HUD 內(nèi)部溫度為35.8 ℃。室內(nèi)環(huán)境溫度為25.2 ℃，增加導(dǎo)熱硅膠，TFT 支架由塑膠變?yōu)锳L6061 時，HUD 內(nèi)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(jié)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(fù)載照射HUD時，HUD 的內(nèi)部溫度為44 ℃，有太陽負(fù)載時HUD 內(nèi)部溫度為50 ℃。

當(dāng)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(nèi)部空氣溫度會比外部環(huán)境溫度會高10 ℃以上；

（2）當(dāng)有太陽負(fù)載進(jìn)入HUD 內(nèi)部時，TFT 屏溫度升高非常多，因HUD內(nèi)部空間有限，實(shí)測HUD內(nèi)部空氣溫度會上升15 ℃以上。

對比仿真結(jié)果和測試結(jié)論如下：

（1）仿真結(jié)果與實(shí)際最大相差4.7 ℃，仿真結(jié)果準(zhǔn)確；

（2）通過給TFT 導(dǎo)熱的散熱效果與HUD 工作的環(huán)境溫度相關(guān)，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(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)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(dāng)有太陽負(fù)載時，TFT最高溫度降2 ℃左右。

表3 測試結(jié)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(nèi)環(huán)境為27.5 ℃，背光給TFT的熱功率設(shè)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(chǎn)品和增加導(dǎo)熱硅膠與TFT支架更改為AL6061進(jìn)行仿真仿真，仿真結(jié)果如圖3～4所示。由仿真結(jié)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(dǎo)熱硅膠，TFT支架為PC+ABS）

圖4 更換材料（增加導(dǎo)熱硅膠，TFT支架材料變?yōu)锳l6061）

2.1.2 太陽光照射外殼

室內(nèi)環(huán)境為32℃，背光溫度設(shè)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(nèi)部，將現(xiàn)狀產(chǎn)品和增加導(dǎo)熱硅膠與TFT支架更改為AL6061仿真，仿真結(jié)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(dǎo)熱硅膠，TFT支架為PC+ABS)

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

2.1.3 太陽光照射HUD內(nèi)部

室內(nèi)環(huán)境為32 ℃，背光溫度設(shè)置為0.499 W， TFT 組件置于封閉條件下，太陽光照射在HUD內(nèi)部鏡子上，對現(xiàn)狀產(chǎn)品和增加導(dǎo)熱硅膠與TFT支架更改為AL6061進(jìn)行仿真，仿真結(jié)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(nèi)部（無導(dǎo)熱硅膠，TFT支架為PC+ABS)

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

2.2 環(huán)境對TFT屏導(dǎo)熱影響測試

試驗機(jī)型如圖9（a）所示，將其置于室內(nèi)環(huán)境，為了消除空氣對流對產(chǎn)品測試結(jié)果準(zhǔn)確性的影響，HUD密封情況下進(jìn)行測試。

圖9 HUD產(chǎn)品及測試結(jié)果

實(shí)測結(jié)果如圖9（b）所示，其中，1 為HUD 內(nèi)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(dá)到65.95 ℃。

2.2.1 室內(nèi)環(huán)境

將被測對象其置于室內(nèi)環(huán)境，HUD 密封情況下進(jìn)行測試，在TFT 金屬框上貼導(dǎo)熱硅膠， TFT 支架材料從塑膠更換為Al6061進(jìn)行溫度測試，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組成如圖10（a）所示，測試結(jié)果如圖10（b）所示。對比溫度測試結(jié)果與續(xù)表1 CAE仿真結(jié)果可知，CAE 仿真結(jié)果與實(shí)際測試結(jié)果相差4 ℃左右（HUD內(nèi)部溫度相差35.8-31.75=4.07 ℃）。

圖10 更換材料后測試結(jié)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(nèi)，HUD密封情況下進(jìn)行測試，更換TFT支架（材料為Al6061)、貼導(dǎo)熱硅膠實(shí)際測試。如圖11（a）所示，HUD用紙箱封閉，杜絕溫箱內(nèi)對流風(fēng)影響測試結(jié)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(jìn)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(nèi)更換TFT支架前后測試數(shù)據(jù)表

通過分析以上CAE 仿真和測試數(shù)據(jù)，可知在TFT 與TFT支架之間增加導(dǎo)熱硅膠并將TFT屏支架材料改為AL6061，將TFT的熱量導(dǎo)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(nèi)部空間溫度相關(guān)。

3 加大背光散熱面積，降低背光對TFT 熱傳導(dǎo)測試

HUD 在沒有太陽負(fù)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(chǎn)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(dǎo)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(diǎn)決定的，在現(xiàn)有技術(shù)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(dǎo)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(jī)2 h以上確認(rèn)各項溫度穩(wěn)定后讀取數(shù)值并記錄開啟風(fēng)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(jìn)行，高溫50 ℃情況下測試按圖12（a）～（d）步驟進(jìn)行，將HUD放置在紙箱中并封閉，放入溫箱中進(jìn)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(jié)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(jié)果

4 結(jié)束語

本文針對抬頭顯示器的TFT 屏工作時溫度過高進(jìn)行研究，在常溫與高溫50 ℃左右進(jìn)行測試對比，同時研究了太陽光對HUD內(nèi)部溫度的影響。方案一通過在TFT屏增加導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)到TFT。通過模擬仿真和測試證實(shí)以上兩種方案可以降低TFT 的溫度，CAE 仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果比較接近。以上仿真與測試結(jié)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(jié)果