加固型液晶显示器讲座课件

2002.10.15加固型液晶显示器液晶显示器的发展及在军事上的应用（一）近年来由于液晶显示器在性能方面，如亮度、对比度、颜色的丰富程度、视角扩宽等方面迅速提高；同时在价格方面逐渐下降；加上军事应用的特点要求体积小、重量轻、防振、防冲击、电磁辐射小等，因此，液晶显示器普遍被各国军方所采用。

例如英国的大型水面舰载指挥系统SSCS-21就采用了日本NEC公司研制的20英寸加固型平板显示器；SMCS选择了日本马可尼公司的加固型TFT-LCD屏，用于声纳信号处理显示。

挪威的Skjold级新舰艇和Hurk级巡逻艇的指挥控制系统也采用了加固型TFT-LCD显示屏。液晶显示器的发展及在军事上的应用（二）

美国FA－18“大黄蜂”战斗机和美国海军陆战队AV－8B“鹞”式战斗机以及英国军队“鹰”式教练机等机载设备上都装备了平板显示器。此外由波音公司为美军提供的JSF，该机座舱内显示器的基本布局是：

1、2块203mm×254mm主多功能显示器（PMFD），

2、PMFD上方的2块76mm×102mm上方显示器（UFD），

3、2块UFD之间的上方控制器（UFC）。这5块显示器全部采用了液晶显示器，其设计构想是基于F-22战机的座舱设计，而大尺寸主多功能显示器则使美国空军所谓的“全景驾驶舱控制/显示系统（PCCADS）：大图像计划（BigPicturePlan）”向前迈了一大步。液晶显示器的发展及在军事上的应用（三）

目前世界上生产军用加固型液晶显示器的公司主要有：美国的Aydin公司和比利时巴克公司，美军及北约组织几乎80%的显示器由这两家公司提供。我军近几年开始采用加固型液晶显示器，我国的歼－１０战机座舱为三个多功能液晶显示器和一个大型宽角平显头盔瞄准系统，歼11的改良项目之一就是座舱内将安装2具大型（13X18公厘）和2具小型（7.5X7.5公厘）的多功能液晶显示器，我们有理由相信随着显示技术的进步，军用液晶显示器的推广应用必定会上一个新的台阶。

战术指标对照表型号LI20FM平板类型TFT-LCD20"指标加固后指标原型机指标显示颜色16M

亮度150cd/m²120cd/m²对比度300:1

分辨率1600×1200点距0.25mm

响应时间10ms/35ms

视角H：+75°/-75°V：+75°/-75°H：+70°/-70°V：+55°/-55°电源220VAC±15%44Hz～440Hz功耗工作状态：75W冷启动：100W

重量≤18.5KgMTBF＞30000h战术指标对照表型号LI18FM平板类型TFT-LCD18"指标实际指标原型机指标显示颜色16M

亮度150cd/m²230cd/m²对比度350:1

分辨率1280×1024点距0.28mm

响应时间5ms/20ms

视角H：+85°/-85°V：+85°/-85°H：+70°/-70°V：+55°/-55°电源220VAC±15%44Hz～440Hz220VAC50±5%功耗工作状态：65W冷启动：90W

重量≤18KgMTBF＞30000h

战术指标对照表型号LI16FM平板类型TFT-LCD16"指标实际指标原型机指标显示颜色16M

亮度150cd/m²250cd/m²对比度400:1

分辨率1280×10241280×1024点距0.24mm

响应时间10ms/35ms

视角H：+80°/-80°V：+65°/-65°H：+70°/-70°V：+55°/-55°电源220VAC±15%44Hz～440Hz220VAC50±5%功耗工作状态：55W冷启动：85W

重量≤16KgMTBF＞30000h

战术指标对照表型号LI15FM平板类型TFT-LCD15"指标实际指标原型机指标显示颜色16m

亮度150cd/m²250cd/m²对比度450:1

分辨率1024×7681024×768点距0.29mm

响应时间10ms/30ms

视角H：+80°/-80°V：+75°/-75°H：+70°/-70°V：+55°/-55°电源220VAC±15%44Hz～440Hz220VAC50±5%功耗工作状态：50W冷启动：80W

重量≤14KgMTBF＞30000h

战术指标对照表型号LI10FM平板类型TFT-LCD10"指标实际指标原型机指标显示颜色16m

亮度150cd/m²250cd/m²对比度250:1

分辨率640×480点距0.33mm

响应时间15ms/35ms

视角H：+85°/-85°V：+60°/-80°°H：+70°/-70°V：+55°/-55°电源220VAC±15%44Hz～440Hz220VAC50±5%功耗工作状态：45W冷启动：65W

重量≤6KgMTBF＞30000h关键技术—概述

包括美国在内的世界各国军方，目前所采用的军用液晶显示器大部分都是购进成熟的性能优良的商用LCD屏，然后根据用户（军方）的要求，有针对性地对其薄弱环节进行改进设计，以满足军事上的恶劣环境要求。经过这种处理的LCD显示器称作加固型液晶显示器（RuggedizedLCD），而这种工艺则称作“加固”工艺。液晶显示器加固设计主要体现在以下几个方面：

1、热设计(高、低温设计）

2、抗振动、冲击设计

3、三防设计

4、电磁兼容性设计

5、可靠性设计

6、安全性设计液晶显示器的结构及工作原理（一）液晶显示器结构示意图（）背光灯管反射板导光板调整片偏光板）（内含配向膜玻璃基层液晶体料内含配向膜彩色滤光片液晶屏液晶盒玻璃基板偏光板前面后面液晶显示器实物图液晶显示器的结构及工作原理（二）

首先液晶显示器内的萤光灯管投射出光线，这些光线会先经过一个水平偏光板然后再经过液晶，液晶分子的排列方式可以改变穿透液晶的偏振方向，然后这些光线接下来还必须经过前方的彩色滤光膜与另一块垂直偏光板。如果我们对液晶施加电压液晶就可以改变光线的偏振方向，进而控制最后出现的光线强度与色彩，从而液晶面板上可变化出不同深浅的颜色组合。

液晶屏工作原理加固型液晶显示器电气方框图

滤波电路AC开关电源温控系统板输入信号RGBHV显示器主板主控电路R、G、B、H、V缓冲H、V信号检测R、G、B信号处理H、V信号处理液晶屏显示接口液晶显示屏OSD板控制信号逆变器加热膜背光灯传感器温度保护开关加热指示关键技术—对液晶盒的加热设计低温加热设计1、液晶盒A、商用液晶显示器的工作温度在5～35℃之间，而军用设备的工作温度一般在-10℃～+50℃之间。所以，商用液晶显示器在加固中存在一个宽温设计的问题，温度主要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液晶的阀值电压。当温度降低于0℃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；如果温度进一步降低，液晶态会消失，变成晶体。此时有可能会在形成晶体过程中破坏定向层而造成永久性损坏。目前解决低温工作问题的途径有两种：第一是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；第二是采用被动加热的办法，也就是在低温下对其加热，以保证液晶显示器在低温下正常工作。后者是当前军用液晶显示器用得最多的加固技术。B、加热设计

外部加热法

内部加热法（使用ITO加热玻璃）内部加热法（使用透明加热膜）第一阶段第二阶段第三阶段关键技术—外部加热法片背光灯管反射板导光板调整片偏光板玻璃基层液晶体料彩色滤光液晶屏液晶盒玻璃基板偏光板ITO加热玻璃外部加热法示意图主要优点工艺简单、成本相对来说比较低。主要缺点1、反光严重。光线在透过玻璃前后两个表面时都有一部分被反光，反射光量的大小与玻璃的折射率有关，一般来讲，玻璃的前后表面的发射光约为4%左右，但对ITO加热玻璃而言反射更为严重，因为加热玻璃上镀了氧化铟锡的表面其反射光大大增加，使其变成了一面镜子。

2、加热效率低。

1、直接与外界热交换

2、与液晶屏有一定距离第一阶段关键技术—内部加热法（使用ITO加热玻璃）背光灯管液晶盒液晶屏偏光板玻璃基板彩色滤光片液晶体料玻璃基层偏光板导光板反射板调整片ITO加热玻璃内部加热法示意图（使用ITO加热玻璃）主要优点无反光现象，加热效率高。主要缺点1、抗振动、冲击能力差。2、工艺要求高，此外由于加热玻璃有一定厚度，液晶屏边框可能需要重新开模。第二阶段关键技术—内部加热法（使用透明加热膜））内加热法示意图（使用透明加热膜）液晶屏液晶盒偏光板玻璃基板彩色滤光片液晶体料玻璃基层偏光板导光板反射板调整片背光灯管透明加热膜主要优点1、无反光现象，加热效率高。2、抗冲击、振动能力强。3、对任何屏都适用。主要缺点工艺复杂、技术难度大。第三阶段关键技术—各种加热方法对比

内部加热法

外部加热法透明加热膜ITO加热玻璃加热时间1～2分钟3～5分钟10～15分钟低温工作可作到-40℃-40℃（但玻璃太薄、容易冻裂）-15℃加热功率低较低高视觉效果良好反光严重电磁兼容性好（可外加屏蔽玻璃）好（可外加屏蔽玻璃）差（不可加屏蔽玻璃）抗振性能好差（易碎，容易损坏屏）差选配触摸屏可以可以不可以透过率》85%》70%》70%工艺复杂程度复杂复杂简单价格适中一般便宜通过以上分析，我们找到了解决液晶显示器在低温范围内工作的最佳方法，即采用透明加热膜的内加热方式。结论良好关键技术—对背光灯的加热设计-30-200-1020103040506080700102030405060708010090110环境温度（℃）相对光能量输出（%）图3环境温度对灯的发光强度的影响。在测量前灯以及外盒必须达到热稳定状态灯电流I=5mA2、背光灯的加热处理1、背光灯的温度特性

由图可知：环境温度对背光灯影响很大，只有在一定温度下，背光灯工作最理想。如果环境温度低于0℃，一则背光灯启动困难，二则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，为使背光灯工作在最佳状态，应使其工作在一定的温度下。

低温时我们是通过在每根背光灯管上缠绕加热丝（镍铬合金）来对其进行加热。关键技术—控制方式的选择

智能PWM控温方式继电器控制方式控制电路复杂

简单

控温点

准确（多点测温综合控制）

不准确（测温点一般只有一个）

可靠性

好差（特别是继电器不可靠）故障诊断有自动保护、诊断功能

无加热特性加热平缓无冲击有热冲击、对屏有损伤电路设计我们采用的是智能PWM（脉冲宽度调制）控温方式

有了好的加热方法，现在需要的是一个好的控制方式，使液晶屏、背光灯等在低温下可靠工作。关键技术—控制电路方框图电路方框图滤波器电源模块液晶控制板加热膜温度传感器

PWM1

PWM2

CPUPWM3

加热膜驱动电路整流灯管温度传感器主控板等温度传感器环境温度传感器加热丝驱动电路加热板驱动电路温度开关（放置在液晶屏上）复位、监控电路晶振A/DA/DA/DA/DEEPROMRS232保护电路保护电路保护电路220V关键技术—电路控制部分输入部分：采集温度信号中央处理部分：完成A/D转换。然后根据测得的温度确定输出的占空比，并随时根据测得的温度对占空比进行修正输出部分：驱动加热元器件（主要是透明加热膜和灯管加热丝），其输出波形如下图：背光灯加热控制电路随环境温度进行脉宽调制，其占空比随温度的变化图。液晶盒加热控制电路随环境温度进行脉宽调制，其占空比随温度的变化图透明加热膜简介（一）复合导电条

电阻薄膜

银浆电极

基材透明加热膜结构银浆电极：金属银和有机粘结剂的混合物。复合导电条：钯、银合金带，厚约70um，其功能是做引出电极，减小汇流条的电阻。电阻薄膜：是透明加热膜的主要构件，它实际上是由五层薄膜组成，即由介质层——过渡层——合金层——过渡层——介质层组成。合金层，是一种Ag—Au合金，透明加热膜的最终性能主要取决于该纳米级Ag—Au薄膜和纳米级厚度的介质层的相互匹配。基材：一种聚酯薄膜，厚175um，具有透明、低雾度、良好的化学稳定性、.低的热收缩等特点，是透明加热膜的一个坚韧而柔软的载体。透明加热膜简介（一）1、可见光透过率T﹥85%；2、加热效率高，发热面最大温差不大5℃；3、电极平整，接触可靠，无接缝，可焊性强；4、加热膜方块电阻5~15Ω／□；

特点

透明加热膜是在基材上镀上电阻薄膜形成导电良好的导电层，其方阻最小可做到5Ω／□，性能优异。其四边经过严格的绝缘处理防止氧化，然将电极固定在薄膜两侧，在电极上加上电压，此透明加热膜就成为了一个良好的发热体透明加热膜外形图工作原理关键技术—散热设计（一）高温散热设计计算一关键技术—散热设计（二）

4）避免局部过热设计：在解决壳体通过自然对流冷却可满足散热要求的前提下，需要解决的关键问题就是避免局部过热影响整机性能。传统的散热方式有风冷，半导体制冷和水冷散热系统等。这些散热方式由于体积较大、导热率低或可靠性低等各种因素而不适合在液晶显示器中应用。经过比较分析，在机器中采用热管作为热传导元件是行之有效的途径。在同等的条件下，在降低接触热阻的情况下，热管的导热率是铜的103倍，首先在热源处集热，再选用规格合适的热管将热量由高温端高效率传递至壳体（低温端）。热管外形图高温散热设计计算二关键技术—散热设计（三）管内吸液芯中的液体受热汽化；汽化了的饱和蒸汽向冷端流动饱和蒸汽在冷端冷凝放出热量冷凝液体在吸液芯毛细力作用下回到热端继续吸热汽化热管工作原理特点1）传热系数高，传热能力大。随管内工质的不同，比良好的金属导热体的导热系数要高102-104倍，比铜高103倍。

2）良好的等温性，热管在传热过程中，由于是相变传热，因此，热管内的温度基本上是恒温的。3）单管作业，由于每根热管是单独的传热单元，因此一根或多根热管损坏，两种介质不互串。

关键技术—抗振动、冲击（一）液晶显示器主要由液晶屏、控制板、电源等三大模块组成，经过对比分析及试验得知：液晶屏是主要的薄弱环节，采取的加固措施是否得当将对整机的抗振动冲击特性起决定作用。1、液晶屏的结构特点：由于液晶屏内包含了液晶层，偏光片层，导光板层及反射板层等多层结构，导致其本身的刚性不能满足要求，进而限制了液晶屏的抗振动冲击特性的提高。2、提高液晶屏抗振动冲击特性的加固措施：a、提高液晶屏的刚度；b、对关键部分进行隔振缓冲设计。抗振动冲击设计关键技术—抗振动、冲击（二）1)

2)

以LI15FM为例进行计算：

根据公式：平板的刚度因子：D=Eh3/12(1-μ2)；(式未采取隔振保护措施时,根据边界近似支撑条件，

固有频率为：rDafn255.3=(式将（式1）与（式2）相结合，计算

Hzfn42=

在后部增加加强筋与液晶屏进行刚性连接，计算

Hzfn122=

很明显，通过提高刚性可增大固有频率。

抗振动冲击系统设计：

根据微分方程理论，设强迫振动的稳态解：

抗振动冲击设计计算一关键技术—抗振动、冲击（三）)sin()sin(yyyxptptXxqjb+F=+=

式中，X：沿X轴平动的振幅

；yF：绕Y轴旋转的振幅

xb

,yq；初相角

将))(4sin(220zj++F=tIkakbzyxz与上两式相结合，可知：

zxxyzxyxxyzxkkapkIkmakmhPmIApkIkkaX222242216)(4)4(4+++--=

zxxyzxyxxykkapkIkmakmhpmIApmhk22224216)(44+++--=F

将测量值代入计算685.0==xhh＜[]h，符合实际要求。

抗振动冲击设计计算二关键技术—抗振动、冲击（四）由上述计算可知，对于选定型号的液晶屏而言，可采取的加固工程措施：改善板边条件以及增加加强筋，从而达到提高固有频率的目的。胶封液晶屏周边再辅之以单面强力胶条将多层结构构成一个整体,然后在液晶屏背部增加加强筋,二者刚性连接。经过加固设计后进行摸底试验，可顺利通过振动试验（试验条件：5-16Hz1±0.5mm；16-60Hz1g；60-160Hz2g）和冲击试验（试验条件：20g11ms）。

抗振动冲击设计计算三液晶屏采用橡胶减振环外形图背光灯采用圆形减振器外形图关键技术—三防设计

海军舰艇用加固型液晶显示器应具备防潮、防盐雾、防霉菌的三防特性，为此我公司研制的海军舰艇用加固型液晶显示器设计成全密封结构。

同时采用与海用高分辨率彩色CRT显示器相同的三防工艺技术，且严格按照《油漆工艺规程》、《印制板三防工艺规程》、《DJB823保护剂涂覆工艺规程》、《加固型终端、显示器喷三防漆作业指导书》等相关文件要求，对机器面板、按键、螺钉、印制电路板、导线等主要部件进行了三防处理。保证了产品具有理想的防潮、防盐雾、防霉菌性能。三防设计措施一措施二关键技术—电磁兼容（一）连接线A/D控制板逆变器

开关电源

机壳

加固型液晶显示器的电磁干扰主要来自三个方面：

1）电源

2）A/D控制板

3）逆变器1、显示器内主要干扰源关键技术—电磁兼容（二）2、抑制措施1、外部屏蔽处理：通过用导电性能好的材料制作机壳，显示窗口采用屏蔽玻璃，屏蔽玻璃中金属网与机箱之间的搭接采用弹性搭接，同时在机壳的接缝处，采用导电橡胶条密封，使显示器外壳形成一个电连续良好的屏蔽体。此外要求机壳的接地电阻要尽量小，当接地不好时，会增加电磁辐射。2、设备内部的电缆处理：各连线采用屏蔽线，屏蔽层要接地，同时要保证360度搭接，内部的视频线和信号线上套上铁氧体磁环。信号线与电源线分开走线，避免相互干扰。3、外部电缆的处理：各连线采用屏蔽线，同时套上铁氧体磁环。4、开关电源的处理，加装滤波器，滤波器的插入损耗要求如下图，滤波器的差模插入损耗在低频时要大，解决100KHz以下超标问题，共模插入损耗重点保证1MHz~1GHz超标问题。5、逆变器的处理：用屏蔽罩对其进行单独隔离。关键技术—可靠性设计可靠性分析

在设计中进行了可靠性分析，通过计算我们的产品其可靠性达到并超过了设计要求。元器件的选择

元器件质量是整机可靠性的基础，我们在设计中十分重视元器件的选用工作，首先元器件采购遵照本公司制定的《合格分供方名录》择优选用。元器件的筛选

为剔除不符合使用要求的元器件，包括外观不合格、密封性能不合格、电性能参数不合格、稳定性差、早期失效等，我们对元器件进行筛选试验。降额设计

电子元器件的基本失效率取决于工作应力(