【文章编号】1009-3702(2002)04-0020-05
孙春雷
(湖南计算机股份有限公司军工部，湖南长沙 410007)
【摘要】在研究AMLCD 特性的基础上，从抗高低温、抗振动、抗冲击、电磁兼容及防潮湿设计等方面探讨了实现第四等级加固的技术途径，较好地解决了在恶劣环境下有源液晶显示器使用时出现的问题。【关键词】有源液晶显示器；恶劣环境；加固【中图分类号】TN14119【文献标识码】A [收稿日期]2002-09-11
[作者简介]孙春雷(1971-)，女，安徽合肥人，湖南计算机股份有限公司工程师，从事液晶显示器抗恶劣环境的研究工作。
显示设备可分为阴极射线管(CR T )和平板显示器两大类,CR T 经过几十年的发展，在技术上已经相对成熟，其彩、价格等比平板显示器占优势。但随着显示技术的飞速发展，平板显示器以其重量轻、体积小、抗振、抗冲击、电磁兼容性能好等优点，已开始逐步取代CR T 显示器。特别是成本日趋降低的有源液晶显示器(AMLCD )具有迅速增长的势头，在军事方面也得到了推广应用。
温度、冲击、振动、电磁、潮湿等因素易对普通的商用有源液晶显示器液晶屏、背光源和内部的元器件产生影响和破坏，导致在恶劣环境下不能正常使用，因此需要对其采取加固措施。所谓加固是指为适应恶劣环境，在军用计算机及其外设设计时对影响机器性能的各种因素，诸如系统结构、电气特性、机械物理结构等所采取的相应的保护措施。目前世界各国军方所采取先的抗恶劣环境AMLCD 都是采取先购进商用AMLCD ，然后根据军方的要求，有针对性地对其性能加以改善，以满足军方对显示器提出的具体要求。经过这种处理的AMLCD 称作加固型有源液晶显示器(Rugged AMLCD )，而这种工艺则称作“加固”工艺。 1 有源液晶显示器的加固等级划分
按照AMLCD 的构成与复杂程度，可以将AML 2CD 加固工艺分为四个等级，不同等级的加固工艺，对
人员素质、设备投入、材料来源等皆有不同的要求。
(1)第一等级加固：该等级的加固内容包括更换222a2
液晶材料、改变液晶盒尺寸、更换驱动电路、更换背光组件及对液晶屏进行抗振动、抗冲击设计等。该等级的工艺水平极高，对人员的素质要求也极高。
(2)第二等级加固：该等级的加固内容不包括更
换液晶材料，主要是改变液晶盒尺寸、更换驱动电路、更换背光组件，对液晶屏进行抗振动、抗冲击设计等。
(3)第三等级加固：该等级的加固内容包括更换
驱动电路、更换偏振片、添加ITO 加热膜、添加反射滤光片、更换背光组件、更换必要的电子元器件及对液晶屏进行抗振动、抗冲击设计等。从事此等级加固的公司有dPix 、Planner 、APC 、Rockwell 、Kaizer 、Litton 等。 (4)第四等级加固：该等级的加固内容包括添加ITO 加热膜、更换必要的电子元器件、对液晶屏进行
抗振动、抗冲击设计等。从事此等级加固的公司最多，有Honeyewll 、Rockwell 、Lockhead 、K orry 等公司。
综合而言，加固AMLCD 的结构可以分解为四个模块：即LCD 模块、背光模块、接口电路、辅助电路。其中LCD 模块包含防反射滤光片、防眩滤光片、EM I 前置玻璃、前偏振片、液晶盒(含TF T 基片、基片彩滤光片、补偿膜、垫片、液晶)、后偏振片、加热器；背光模块包含NV G (或IR 或UV )滤光片、亮度增强膜(B EF )、漫透射片、背光灯；接口电路包括TF T 扫描
驱动接口、信号转换接口；辅助电路包括温度控制电路、热管理电路、背光驱动电路、背光调光电路
等。
2 有源液晶显示器在恶劣环境下的特
磨具抛光第14卷第4期湖南轻工业高等专科学校学报Vol 114No 14
2002年12月Journal of Hunan Light Industry College
Dec 12002
性研究
211 温度
商用有源液晶显示器的工作温度通常在5～45℃之间，而根据国标G JB367军用通讯设备通用技术条件的要求，军用设备的工作温度要求在-20～+55℃之间。所以，商用有源液晶显示器在加固中存在一个宽温设计的问题。温度主要会对液晶屏和背光源产生影响。液晶材料对温度的变化非常敏感，影响液晶的响应时间和阀值电压都会受到影响。当温度降至0℃以下时，液晶材料将变得粘滞，响应速度变慢，动态图象出现拖尾现象甚至不能显示；如果温度过低，液晶态会消失，变成晶体，并有可能在形成晶体过程中破坏定向层面造成永久性损坏。而当温度过高时，封装液晶屏的胶水、粘合剂和封装物的性能也将降低、退化，液晶态也会消失，变成液态[1,2]。
如果环境温度低于0℃，背光源的荧光灯管寿命会降低；而且低温还会影响背光源的亮度，根据试验显示，背光源的亮度在50℃时最好。为使背光源有最佳的工作性能，应使其工作在一定的温度范围内。212 冲击和振动
有源液晶显示器在恶劣的环境下工作，可能会受到振动、冲击、应力等各种机械力的作用。由于液晶屏和背光源的托架面积较大而厚度较薄，所以一旦受到冲击和振动,
极容易产生变形和破裂。背光源的灯管直径只有3mm，在冲击和振动下，灯泡、灯丝极易破裂。此外，元器件之间相互联接的电缆在振动和冲击下也容易松开或脱落。
213 电磁兼容
有源液晶显示器的电器的电磁辐射主要来自背光灯管、逆变电源及高速A/D器件。
214 潮湿
由于有源液晶显示器属低压、微功耗的器件，液晶材料电阻极高(达1010Ω・cm以上)，故因潮湿造成的玻璃表面导电就足以影响显示，段之间会产生“串”扰显示。
在上述因素中，温度是限制有源液晶显示器使用环境的最重要的因素，而低温又是首当其冲的问题。可以说当环境温度低于0℃时，如何能让显示屏“亮”起来，是有源液晶显示器加固技术的关键所在。
3 实现液晶显示器第四等级加固的技术途径
311 有源液晶显示器的抗高、低温设计
31111 低温加热技术 解决液晶屏低温工作问题的途径有两种:①采用宽温型液晶材料，这样造价相
当高，且技术和工艺上也存在很大的难度;②采用被动加热的办法，使有源液晶显示器在低温下正常显示。后者是当前有源液晶显示器的加固技术。多采用嵌入式加热膜，即在液晶屏中加入柔性透明加热膜。柔性透明加热膜是在柔性基材上镀制了一层具有高透过率及导电率的超薄多层复合功能薄膜(ITO膜，铟锡氧化物)的加热膜，当给ITO膜通电时，既能快速、高效地加热液晶屏，同时也能快速加热背光灯管。以往采用的是在玻璃上镀ITO的办法，但玻璃易碎不抗震，采用柔性ITO加热膜则成功地解决了这一难题(见图1)。
图1 ITO膜玻璃液晶屏内部加热示意图
灯头盒
31112 ITO加热膜加热功率计算
免清洗助焊剂
(1)液晶盒热容计算
液晶盒质量:m=ρv
=ρl w h
=ρl w(h1+h2)
ρ：液晶盒密度，约等于玻璃密度(217×103kg/ m3)
l：液晶盒长度,l=0145m;
w：液晶盒宽度,ω=0135m;
h1：液晶盒厚度,h1=010026m;
h2：加热玻璃厚度,h2=010011m;
m=1157kg
第14卷第4期孙春雷 有源液晶显示器加固技术探讨・21
・
液晶盒热容:q=cm
j biol chem
c：玻璃比热容,018kJ/(kg.K)
q=1126kJ/K
(2)ITO加热膜加热功率计算
条件:-25℃开机,5min液晶盒温度升高至5℃。
加热功率P=qΔT/t=4215W
实际加热功率PI=112P=51W
加热用15V电源供电，从而可计算加热膜电阻为25Ω。
31113 低温加热控制电路的设计 过去常采用温度继电来控制温度，低温时继电器接通，对物体加热；高温时继电器断开，停止加热。该控制方式的缺点是温度冲击大,-25℃和-40℃都是同一个加热功率，容易造成被加热物体的损坏。其优点是简单。目前多采用脉宽调制方式来控制加热，其原理是根据加热物体的热特性，通过大量的试验到某一温度下对其加热最适宜的占空比，将其以表格的形式固化在程序里，然后CPU采集被加热物体的温度，此采集为多点采集，要根据每个温度采集点的传递函数算出各点的温度，此温度由于温漂存在一定的误差，可通过测量基准点进行修正，以得出各点正确的温度，然后用加权算法算出被加热物体准确的温度。CPU根据此温度查表确定输出的占空比，之后CPU就不断地根据被加热物体的温度占空比进行修正。整个过程为一个自适用的闭环控制，准确可靠。其特点是随着温度的不同，输出不同的加热功率，效率高，不易损坏被加热物体。
31114 高温散热设计 高温下设备内部的温升将导致元器件的失效，当温度超过一定值时，失效率
将呈指数规律增加，温度超过极限值时将导致元器件失效。国外统计资料表明电子元器件温度每升高2℃，可靠性下降10%；温升50℃时的寿命只有温升25℃时的1/6[3]。所以需要采取措施限制机箱及元器件的温升，热设计应遵循的原则有:①减少发热量，通过选用更优的控制方式和技术、选用低功耗的器件、减少发热器件的数目等方法来减少发热量、提高效率。②加强散热，即利用传导、辐射、对流技术将热量转移，这包括采用散热器、风冷(自然对流和强迫风冷)、液冷(水、油)、热电致冷、热管等方法。在设计上主要采用自然冷却，即通过机壳来散热，同时在元器件布局上，将发热器件安放在下风位置或印制板的上部，外壳采用氧化发黑工艺处理，以提高辐射率。散热器安装器件的平面要求光滑平整，一般在接触面涂上硅脂或加装导热性能好的衬垫，以提高导热率。通过测试，有源液晶显示器的热源主要集中在电源、A/ D转换板和背光灯这几部分。
(1)电源和A/D转换板的发热量
正常工作时，电源只需供液晶显示器工作，而液晶显示器正常工作消耗功率为55W。电源效率按0175计算，电源热耗即电源发热量为1815W。
(2)背光灯管的发热量
有源液晶显示器共有4根5W的背光灯管，冷阴极射线灯管的效率约为017，所以背光灯管的总发热量为6W。
(3)采用自然对流冷却的壳体散热面积计算
条件：壳体尺寸为450(w)×320(h)×80(d)，壳体侧壁温度为60℃，环境温度55℃，壳体自然散热的总热量2415W，其最小散热面积的计算如下：定性温度T m=(60+55)/2=5715℃
特征尺寸取壳体高度h=0132m
查得空气的普朗特数Pr=01696，运动粘度υ= 16196×10-6m2/s，导热系数λ=2176×10-2 W/(m ・℃)，体积膨胀系数β=1/(273+5715)=1/33015，葛拉晓夫数Gr=βg h3Δt/λ2=1169×107，雷诺数Ra =Gr・Pr=1118×107<109,Nu=C(Ra)n c=0159,n =1/3,Nu=3416；又
Nu=αh/λ,α=Nuλ/h=2.98W/(m2℃)
Q=αSΔT
S min=1164m2
壳体实际散热面积S通常为2～3m2，即S> S min，所以壳体散热面积能满足空气自然对流的散热要求。
(4)传导散热采摘香蕉
电源的散热采用传导方式，将电源模块的散热面安装在机壳的背壳上，中间再紧压一层导热橡胶。
对于A/D转换板的主要发热芯片，通过在其上安装散热片以扩大它的散热面积。
(5)背光灯管的散热设计。背光灯的发热量较大，在高温时容易造成对液晶屏的损坏。背光灯的特性主要表现在：灯的亮度是流过灯电流的直接函数，但当电流超过其最大额定值时，灯便饱和，这时再增
・22
・ 湖南轻工业高等专科学校学报 2002年12月
加电流己无意义;CCFL呈负电阻特性，即灯电流与电压呈反比关系；当加上正弦交流电时CCFL工作状况最好，因此要求驱动电压中最好能消除直流部分，否则，迁移效应对灯的寿命有不利影响。通过一系列的研究本技术设计了UCC3973、L T1836等核心芯片的控制电路，通过在高温时控制背光灯的工作电流，适当降低亮度来减少背光灯的发热量。
312 抗振动、抗冲击设计
抗振动设计的目的一方面是提高设备的刚性，防止设备在工作过程中产生共振而损坏，另一方面是减振处理，降低外界激励对加固对象的激励传导，延长设备疲劳破坏的时间。抗冲击设计的目的主要是
提高设备的强度，防止在外界大动能作用下产生过大变形。液晶显示器本身的抗振、抗冲击能力较强，一般能满足军标要求，只需保证机壳的机械性能及LCD 与机壳的刚性连接就可达到军标要求的抗振、抗冲击能力。本技术选用的显示屏其抗振动、抗冲击能力比较强，其振动指标为：频率10～500Hz，加速度1g；冲击指标为：对脉宽为11ms的半正弦波，最大冲击加速度高达40g。可见在保证液晶屏的刚性连接及不发生二次冲击的条件下，其抗冲击能力完全可以满足机械环境要求。因此对液晶显示屏机械加固的目标就是如何提高抗振动能力。由显示屏的振动指标可以说明其本身的固有频率很高，已大大超过了研制指标，所以对液晶机械加固的关键问题就应集中到如何提高LCD显示屏的刚性上。
在外界激励提高的条件下，要保持形变不变，一方面可以通过减振措施，降低激励传递率，衰减激励，以降低其实际激励而限制变形。另一方面可以通过附加刚度，使目标对象在激励增加的情况下，将部分甚至是绝大部分能量分担在附加结构上，从而有效降低目标对象的实际激励能量及其变形。从效果来看，即相当于一个大阻尼传递减振器的作用。在结构上，设计了一个大刚度的液晶显示屏安装固定面板，同时壳体与该面板刚性连接，整个系统形成一个刚度很高的大阻尼减振器，能对液晶显示屏有效加固。实验验证该结构完全满足了军标要求。
313 电磁兼容设计
有源液晶显示器的电磁干扰主要来自三个方面：电源、外部干扰和内部电路(主要是工作在高频段的逆变器、A/D转换板)，对这些干扰本技术分别采用了不同的处理措施，主要体现在:
(1)屏蔽设计：主要解决驱动背光源灯管的逆变器的电磁发射问题。背光灯管是高频交流驱动，其频率为几十千赫到上百千赫，虽然功率不大(高电压，小电流驱动，属于以电场发射为主的发射源)，但在电磁兼容性要求较高的场合下，其电磁发射还是比较大的。对于几十到上百千赫兹的电磁干扰，通过用导电性能好的材料制作机壳及显示窗口采用屏蔽玻璃，使显示器外壳形成一个电连接良好的屏蔽体，就可以达到40dB以上的屏蔽效能。同时在机壳的接缝处，采用导电橡胶条密封，就使机箱形成了一个完全密封的腔体能屏蔽来自外部的干扰。有源液晶显示器在电磁兼容方面需要解决的另一个问题是显示器内部的电磁干扰问题。特别是逆变器频率与显示行频接近，容易引起干扰。采取的措施是:①将逆变器与驱动电路的距离尽量拉开;②将逆变器单独屏蔽起来，这样就解决了逆变器对显示行频信号的干扰。
(2)接地设计：将温控板上电源的地线直接和输入电源地线相连，尽量减少两者之间的电阻值。将数字与模拟电路的地线分开走线，仅在电源接口处相连，使两部分不互相影响，同时将模拟信号单点接地、数字信号(特别是相对于高频信号)采用多点接地来降低电路的环路面积。
(3)滤波设计：对有源液晶显示器来说，要解决的另一个电磁兼容问题是电源线的传导干扰问题，为了
防止对其它电路的影响，应选用合适的低通滤波器，安装位置尽量靠近电源的输入口位置，并封闭滤波器的输入端。对于温控板，所有集成电路电源均加有103或105电容，在软件设计中有输入滤波环节，对输入信号的峰值作了控制，以提高抗干扰能力。
314 防潮湿设计
AMLCD的防潮湿措施有：整个加固机箱采用全密封式焊接结构，盖板嵌有导电橡胶条，并在显示屏前面加屏蔽玻璃。
随着液晶显示技术的发展，液晶显示器的优越性越来越明显，并已逐渐取代CR T显示器，因此加固型有源液晶显示器在军事应用上有着广泛的前景，深入研究AMLCD的特性和加固技术，对于我军装备的现代化建设具有深远的意义。
【参考文献】
[1] 刘永智，杨开愚.液晶显示技术[M].北京：电子科技大
第14卷第4期孙春雷 有源液晶显示器加固技术探讨・23
・
学出版社,2000.
[2] 田民波.电子显示[M ].北京：清华大学出版社,2001.[3] G ohy J F ,Vanhoorne P ,J ′ero ′me R.Synthesis and pre 2
liminary characterization of
model
liquid crystalline
ionomers[J ].Macromolecules ,1996,29(10):3376-3383.
Discuss of Rugged AMLCD T echnology
SUN Chun -lei
(Hunan Com puter Co.,L t d ,Changsha 410007,Chi na )
Abstract :Low temperature resistance ,shock resistance ,impact resistance ,electromagnetism compatibity and mois 2ture resistance design of AMLCD were discussed.Technic route of the fourth f
ixing technology to solve problems under server application condition was proposed.K ey w ords :AMLCD ;severe application condition ;fixing
・24 ・
湖南轻工业高等专科学校学报
2002年12月
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议