金诗玮，赵小珍，刘 波，赵玉冬，刘 陆

（1．中航华东光电有限公司，安徽 芜湖241002；2．特种显示技术国家工程实验室，安徽 芜湖241002；3．安徽省现代显示技术重点实验室，安徽 芜湖241002）

0 引言

随着科技的高度发展，信息化、智能化和现代化显示器将应用于现代社会的不同行业。目前，机载显示器的设计和制造技术，仅仅掌握在极少数西方国家。在国内，只有少数几家单位建有国军标生产线，掌握机载液晶显示器设计的关键技术。但是，现代化、大尺寸、多功能和多视窗的机载液晶显示器，是显示器未来发展的趋势。在此，论述一种大尺寸双冗余机载液晶显示器的设计方案，它集成了图形生成、红外触控、多视窗功能以及采用双冗余的设计方法，使显示器能够满足军事领域的使用要求。

1 总体方案设计

显示器的总体方案主要从功能和环境适应性进行考虑设计。显示器由5大组件组成，包括液晶屏、屏加热组件、LED背光组件、结构组件以及红外触摸组件。其显示器的基本参数如表1所示。

表1 显示器基本参数表

2 显示器结构设计

根据功能要求以及用户外形特点，结构件主要由5个零件组成：上盖板、面板、屏框架、散热板以及隔板构成。

上盖板主要起到密封保护红外触摸组件的作用；面板主要密封液晶屏组件及固定红外触摸屏组件，也是整个模块的承重零件；屏框架主要用来固定液晶屏组件，对液晶屏组件起到加固作用；散热板主要固定背光组件，同时还起到散热作用；隔板主要固定各电路板组件，同时配合散热板形成密闭风道。

2．1 抗振动、冲击设计

为了增强液晶屏抗振动、冲击性能，建立抗振动、冲击理论模型，通过ANSYS软件，设定好边界条件，进行仿真分析。

根据液晶屏仿真结果的应力分布云图可知，在液晶屏四角和中间部分，受到的应力最大。对应力数据分析后，应采用特殊工艺和加固方式对液晶屏进行加固处理，其工艺处理措施如下：

a．对液晶屏进行光学绑定，以增加玻璃基板的强度，光学胶对液晶屏起到减震、缓冲的作用，提高了液晶屏本身的抗振性能。

b．通过结构设计及工艺处理对液晶屏进行加固减振。选择工程塑料做屏框架材料，此种材料对振动有吸收作用，对液晶屏振动有很好的缓冲。并且，屏框架内腔与液晶屏之间留有0．7mm间隙，用来作灌封处理。

c．膜组放置在屏框架的前端，采用灌封的方式进行加固处理。

2．2 TFT液晶屏加固设计

液晶屏为显示器的关键部件，通过建立结构的整体模型，对结构的整体强度进行分析后，对易损、薄弱环节进行加固，满足国军标功能、耐久振动等要求。

COF主要用于液晶显示屏和T－CON板之间的信号传输。一般由聚酰胺薄膜内置导电线路构成，整体材质较软，两端采用ACF连接到液晶屏玻璃和T－CON板上［1］。相较于普通尺寸的加固型显示器，本显示器尺寸更大，线路更密集，T－CON板的质量更大。普通的加固工艺手段还不能达到加固、抗振的目的。

相对于T－CON板和液晶盒玻璃而言，COF由于是弹性材料，所以振动过程中形变量最大。一体化大屏T－CON板上质量不均衡（板上的元器件密度各个区域不一致），易造成柔性带的应力集中。针对一体化大屏的加固，会在中小尺寸屏的基础上进行更高强度的加固。对一些普通屏无需加固的地方，也会进行点胶封装和加固。COF结构如图1所示。

图1 COF结构

针对以上对COF分析，采取在垂直方向和水平方向进行加固工艺处理，提高显示器的可靠性。在下玻璃基板处涂覆加固胶，增强垂直方向上的抗震能力。同时，提高了弯曲装配加固时的抗拉伸能力。在COF和T－CON板衔接处涂覆加固胶水，增强水平方向的抗震能力。由于T－CON板是刚性体，质量相对较大，装配时和结构件进行刚性连接，会导致COF和T－CON板在振动过程中有相对位移，造成应力集中，长时间的工作时，ACF可靠性降低，造成隐患。所以，需要在COF和T－CON板连接处进行额外的加固处理。

2．3 显示器热设计

2．3．1 热源产生机理

温度对LED性能产生重要的影响，包括色温改变、波长偏移、效率下降和正向电压等，因此，热设计对LED性能、光转换效率以及应用产生重要的影响。电子在LED内部移动中，都会因电阻的存在而消耗功率。电源克服PN结势垒也要消耗功率，所消耗的功率符合电子学的基本定律：

RN为N区体电阻；RP为P区体电阻；VTH为PN结的阈值电压，它是电源克服PN结势垒电压后的残留电压。消耗的功率产生的热量为：

t为二极管导通的时间。

某一对电子－空穴的复合，是发生在一个点上。复合后的电子暂时被原子核束缚，但由于有电场和电流的连续性，同时会有一个电子脱离原子核的束缚，成为自由电子，产生新的电子－空穴对。空穴向PN结方向扩散，电子在电场的作用下，继续向电源正极运动（根据半导体物理理论，可以看作电源正极向P区注入空穴）。统计来看，可以看作是一个电子连续穿过半导体区内的全部路程，它经历了路途的所有电阻，所形成的电流通过电阻产生热量［2］。

LED背光灯板由多颗LED灯通过串、并联的方式构成直下式背光源。目前，LED灯的发光效率仅能达到17%左右，也就是说，大约83%能量转换为热能。因此，背光源的热设计成为显示器设计的关键因素。

通过设定显示器边界条件和约束条件，建立LED背光灯板的仿真模型，通过仿真，得出LED灯板的温度分布情况。

根据温度分布云图，单颗LED的热功率为0．04 W，热阻约为120℃／W，灯板上的最高温度为83℃，可以计算LED芯片处的温度约为88℃。通过仿真结果，对结构进行优化设计，可削弱温度对LED性能以及可靠性的影响。

2．3．2 热设计

根据热源产生的机理，为使显示器在高温下可靠工作，在进行结构设计时，分别从传导、辐射和对流散热方式考虑，增加散热性能，提高显示器工作的可靠性。

a．热传导。热传导为热量由一个系统传递到另一个系统的过程。其热传导传递的热量为：

Q为单位时间热传导传递的热量；ΔT为热传导温度差。

L为路径长度；λ为导热系数；S为传导面积。

在导热系数方面，主要的散热结构材料为硬铝，导热系数为200 W／（cm·℃）；在接触面积方面，由于背光灯板与结构件接触面加工误差原因，不可能绝对平整和光滑，因此，表面接触仅发生在离散的接触面上。为了增加接触面积，降低热传递过程中的热阻，在背光灯板与结构件间贴一层延展性较好、导热系数高的导热垫片，导热系数为3 W／（cm·℃），提高导热能力。

b．热辐射。热辐射是温度而产生的以电磁波形式向外发射能量。温度是电子振动和激发的基本原因，故热辐射基本取决于温度。物体的表面状态及面积对热辐射也有影响，一般来讲，深色物体热辐射系数较大。对于显示器而言，通过表面喷黑漆来增加热辐射强度。

c．对流。对流是通过介质及介质本身的运动进行的能量传递，是显示器向外部环境散热的主要方式。其对流公式为：

在对流散热中，可以通过增加散热面积和强迫风冷提高换热系数，来提高自然散热效率。

在增加散热面积方面，通过在散热板上设计散热肋片来实现。如图2所示。

图2 散热板结构

为进一步提高背光散热效率，增强对流散热，针对背光系统，采用风冷强制散热。在散热板与中盖板之间有一中段密封腔体，在腔体一端装有风扇，通过风扇抽风的方式，使冷风从模块一端，经过散热片从另一端流出，带走腔体内的热量。

2．4 电磁兼容设计

对于显示器的电磁屏蔽，从屏蔽材料、结构密封以及开孔等方面都做了系统的设计［3］。

2．4．1 屏蔽材料的选择

为提高电磁屏蔽性能，结构件外壳要保证导电性及密封性。外壳结构件进行导电氧化处理，其接触电阻小于900 mΩ／mm2。各零件的连接均采用台阶搭接，增加接触面积，提高密封性能。

在滤光片与结构件之间，选用屏蔽铝箔进行搭接。此种铝箔导电性能好，可实现滤光片与结构件间的电连续性。

2．4．2 密封处理

屏蔽体的连续性是影响结构件屏蔽效能最主要的因素。

对于模块开口部分搭接，在结构面板上，设计时专门留一凹槽放置导电泡棉，增大缝隙路径，减少辐射。对于结构件间的配合，均采用台阶搭接的方式，加强屏蔽体的连续性。

2．4．3 开孔大小及排布设计

对于开孔排布，一般分为顺序排列和错位排列。如图3所示。

图3 开孔排列

在低频段，顺序排列要比错位排列屏蔽效能好一些，主要是因为错位排列使磁路长度增加，造成屏蔽效能下降。但在中高频段，孔位排列形势影响不大。考虑到通风散热，相同面积错位排列通风面积更大。

产品中，最小波长约为700 mm，当缝隙长度为波长（截止频率）的一半时，RF波开始以20 d B／10倍频（1／10截止频率）或6 dB／8倍频（1／2截止频率）的速率衰减。如果对频率432 MHz（波长为700 mm）的辐射衰减至26 dB，则350 mm的缝隙将会开始产生衰减，当存在小于350 mm的缝隙时，432 MHz辐射就会被衰减。对于432 MHz频率来讲，若需要衰减20 d B，则缝隙应小于35 mm（350 mm的1／10），需要衰减26 dB时，缝隙应小于17．5 mm（35 mm的1／2以上），需要衰减32 d B时，缝隙应小于8．7 mm（17．5 mm的1／2以上）。

对于孔的大小及排布，通过计算以及对液晶屏的测试，可得辐射频率为54 MHz倍频，最高频率为432 MHz。综合考虑，进气孔采用错位排列，进风孔直径d设计为3 mm，可以满足屏蔽要求。

3 显示器双冗余设计

3．1 T－CON电源双冗余设计

T－CON板电源为冗余备份电源，只要有1路电源正常，整块液晶屏的信号就正常显示。通过相关实验和调研，选用Linear公司生产的LTC4352或门电路控制MOS管，此电路在线路上产生的压降几乎忽略不计，并且具有过压、欠压保护功能。LTC4352也可以自动调整2路电压欠压，欠压的MOS管会自动关闭。具体的原理如图4所示。

图4 T－CON板电源冗余设计原理

图4中，只要有1路电源正常，液晶屏1和液晶屏2都可以正常工作。消除了由于独立供电，造成液晶屏分别工作，启动时间不一致等不良现象，从而形成有效的电源冗余设计机制，增强了显示器工作时的可靠性。

3．2 视频板信号处理双冗余设计

视频板的主要功能是提供适合于液晶屏有效格式的图像信号。在显示器的视频板硬件电路设计中，分别有2路视频处理系统，在FPGA逻辑代码设计中，通过自动检测外部输入信号的有无，来判断送入液晶显示器是第1路信号，还是第2路信号。当检测第1路信号无输入时，则视频板立即切换到第2路信号；假如视频板检测到第2路仍无信号时，则视频处理板启动内部生成的图像信号，与外界进行总线通信，确保显示器能够显示重要的参数信息，满足飞行员的需求。

4 结束语

针对大尺寸双冗余机载液晶显示器的设计，从功能设计以及环境适应性要求出发，分析了显示器的各参数要求，并且，根据热源产生机理以及电磁辐射产生机理，对显示器进行热设计和电磁兼容设计。另外，对显示器中关键件建立抗振动、冲击理论模型，通过软件仿真，指导结构、工艺设计，保证产品振动、冲击的可靠性。此外，在显示器产品中，引入冗余设计，增加了产品工作时的可靠性。显示器已经交于用户使用，其性能可靠、稳定，实用性强。

［1］ 马群刚．TFT－LCD原理与设计［M］．北京：电子工业出版社，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］ 杨克俊．电磁兼容原理与设计技术［M］．北京：人民邮电出版社，2004．