薛現(xiàn)龍

（中國(guó)第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，吉林 長(zhǎng)春 130011）

基于開關(guān)背光及工作指示燈亮度均勻性影響因素分析

薛現(xiàn)龍

（中國(guó)第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，吉林 長(zhǎng)春 130011）

從背光源本身發(fā)光性能、LED電路板的布置、LED散熱結(jié)構(gòu)、開關(guān)按鍵及工作指示燈導(dǎo)光結(jié)構(gòu)、制造工藝等方面，重點(diǎn)分析對(duì)開關(guān)背光及工作指示燈亮度均勻性的影響，并提出有效的解決方案。通過實(shí)際應(yīng)用和測(cè)試，在一定程度上提高并改善了開關(guān)背光及工作指示燈的亮度和均勻性。

按鍵；亮度均勻性；背光；工作指示燈；LED電路布置；導(dǎo)光結(jié)構(gòu)

1 研究背景

汽車內(nèi)按鍵具有背光照明功能，使用戶能夠在黑暗環(huán)境下，準(zhǔn)確地找到需要操作的按鍵位置；開關(guān)按鍵具有工作指示燈功能，便于提醒用戶該項(xiàng)功能目前處于激活或者關(guān)閉狀態(tài)。因此，開關(guān)按鍵采用背光照明及工作指示燈技術(shù)，幾乎在所有的汽車尤其是家用轎車上得到普遍應(yīng)用。但是，隨著人們對(duì)汽車發(fā)展的需求，用戶不僅僅滿足于開關(guān)按鍵具有背光及工作指示的功能。其背光及工作指示燈亮度的均勻性及美觀性，越來越成為用戶評(píng)價(jià)一輛汽車高檔性、做工精細(xì)性的重要因素。

在目前來看，很多汽車開關(guān)按鍵存在背光及工作指示燈亮度不足、均勻性較差的狀況。而這種狀況將影響一輛汽車在用戶中的形象。因此，提出采用一種合適的背光源、合理的背光及導(dǎo)光結(jié)構(gòu)、合適的背光及導(dǎo)光材料、合理的電路布置來保證整車開關(guān)按鍵的背光及工作指示燈的亮度均勻性，有著非常重要的意義。

2 研究?jī)?nèi)容及意義

本文的重點(diǎn)是對(duì)在開發(fā)及生產(chǎn)過程中，出現(xiàn)的按鍵背光及工作指示燈亮度不均等諸多影響因素，進(jìn)行分析和驗(yàn)證，從而得出一種能夠滿足開關(guān)按鍵及工作指示燈亮度均勻性的合理方案，提高汽車在用戶中的形象。

3 光度計(jì)量及單位

3.1 發(fā)光強(qiáng)度

與測(cè)試距離相比，光源的大小可以忽略不計(jì)時(shí)，把某個(gè)點(diǎn)光源所發(fā)出的光，通過單位立體角的光通量稱為發(fā)光強(qiáng)度（luminous intensity），單位是坎德拉（cd）。

3.2 亮度

把單位面積光源的發(fā)光強(qiáng)度稱為亮度（Luminance），即將從光源面向某方向的發(fā)光強(qiáng)度除以在該方向光源面的正投影面積的值，單位是cd/m2。

如某車型開關(guān)背光照明定義的亮度是（6±2）cd/m2；工作指示燈亮度為（50±15）cd/m2。

4 開關(guān)背光及工作指示燈影響因素

開關(guān)按鍵背光源：一種是傳統(tǒng)燈泡，一種是半導(dǎo)體LED。半導(dǎo)體LED由于其環(huán)保性、持續(xù)點(diǎn)亮?xí)r間長(zhǎng)、低成本等優(yōu)點(diǎn)，逐漸取代了傳統(tǒng)燈泡，成為汽車行業(yè)背光源的首選產(chǎn)品。

4.1 背光源LED本身因素

LED（Light Emitting Diode），發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電能轉(zhuǎn)化為光能。LED的心臟是一個(gè)半導(dǎo)體的晶片，晶片的一端附著在一個(gè)支架上，是負(fù)極；另一端連接電源的正極，整個(gè)晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。半導(dǎo)體晶片由2部分組成，一部分是P型半導(dǎo)體，里面空穴占主導(dǎo)地位，另一端是N型半導(dǎo)體，主要是電子。將這2種半導(dǎo)體連接起來，就形成一個(gè)“P-N結(jié)”[1］。當(dāng)電流通過導(dǎo)線作用于該晶片時(shí)，電子就會(huì)被推向P區(qū)，在P區(qū)電子跟空穴復(fù)合，以光子的形式發(fā)出能量[2］，如圖1所示。光的波長(zhǎng)決定光的顏色，由形成P-N結(jié)材料決定。

圖1 發(fā)光原理

LED載流子復(fù)合時(shí)產(chǎn)生的光子50 %為外向輻射，50 %為內(nèi)向輻射。經(jīng)過整個(gè)傳輸過程，LED總的電光轉(zhuǎn)化效率54 %[3］。發(fā)光效率LED本身的發(fā)光亮度及顏色受其組成材料塑料透鏡、半導(dǎo)體芯片、焊接工藝等多種因素的影響，使得不同批次甚至同批次的LED可能出現(xiàn)亮度及顏色不同的現(xiàn)象。如圖2所示，實(shí)線顯示的是同一廠家、同一批次的LED工作電流曲線。在驅(qū)動(dòng)電壓3.4 V情況下，同一批LED電流卻不盡相同。

圖2 驅(qū)動(dòng)電壓與電流關(guān)系曲線

某車型開關(guān)背光選用16顆貼片LED，2顆插針式LED；工作指示燈選用11顆貼片式LED。在選取LED時(shí)，可能存在同批次的LED在開關(guān)上亮度不均的現(xiàn)象。

4.2 背光源LED的電路布置

背光LED的驅(qū)動(dòng)方式是影響背光亮度均勻性的因素之一。LED的連接有3種主要結(jié)構(gòu)，即串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)。

4.2.1 LED串聯(lián)

LED串聯(lián)方式的優(yōu)點(diǎn)是，在整個(gè)串聯(lián)電路中LED電流處處相等。因LED的生產(chǎn)過程存在著批次差異及個(gè)體差異的問題，當(dāng)LED的一致性差別較大時(shí)，雖然加在不同的LED兩端電壓不同，但由于通過每顆LED的電流相同，LED的亮度還是基本一致的。

當(dāng)某一顆LED因品質(zhì)不良或其它原因?qū)е露搪窌r(shí)，若采用恒壓源的驅(qū)動(dòng)方式，那么由于驅(qū)動(dòng)器輸出電壓不變，分配在剩余的LED兩端電壓必然將升高，驅(qū)動(dòng)器輸出電流將增大，這可能導(dǎo)致余下的所有LED損壞。如采用恒流式LED驅(qū)動(dòng)，當(dāng)某一顆LED品質(zhì)不良短路時(shí)，由于驅(qū)動(dòng)器輸出電流保持不變，此串聯(lián)電路中余下的所有LED都將正常工作。

當(dāng)某一顆LED因品質(zhì)不良或其它故障原因出現(xiàn)開路狀態(tài)時(shí)，串聯(lián)在一起的LED會(huì)全部不亮。解決方法：在每個(gè)LED兩端并聯(lián)一個(gè)齊納二極管[4］。當(dāng)然并聯(lián)的齊納二極管擊穿電壓需要比LED的導(dǎo)通電壓高，否則LED就不亮了。這種解決方案會(huì)增加額外的功耗和成本。

4.2.2 LED并聯(lián)

當(dāng)需要獨(dú)立調(diào)整每一個(gè)LED的電流時(shí)，會(huì)使用并聯(lián)。并聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)一個(gè)LED開路時(shí)，不會(huì)對(duì)其它LED造成影響。

當(dāng)某一顆LED因品質(zhì)不良而斷開時(shí)，如果采用穩(wěn)壓式LED驅(qū)動(dòng)(例如穩(wěn)壓式開關(guān)電源)，驅(qū)動(dòng)器輸出電流將減小，而不影響余下所有LED正常工作。如果是采用恒流式LED驅(qū)動(dòng)，由于驅(qū)動(dòng)器輸出電流保持不變，分配在余下LED電流將增大，導(dǎo)致?lián)p壞所有LED。解決方法：盡量多并聯(lián)LED。當(dāng)斷開某一顆LED時(shí)，分配在余下LED電流不大，不至于影響余下LED正常工作。因此，功率型LED做并聯(lián)負(fù)載時(shí)，不宜選用恒流式驅(qū)動(dòng)器。

當(dāng)某一顆LED因品質(zhì)不良而短路時(shí)，那么所有的LED將不亮。但如果并聯(lián)LED數(shù)量較多，通過短路的LED電流較大，足以將短路的LED燒成斷路。

某車型開關(guān)工作指示燈驅(qū)動(dòng)線路采用并聯(lián)電路，見圖3。分別調(diào)整其串聯(lián)電阻使得流過每一顆LED電流相近，達(dá)到表面亮度均勻的效果。

圖3 開關(guān)工作指示燈電路

4.2.3 LED混聯(lián)

在需要使用比較多的LED產(chǎn)品中，將所有LED串聯(lián)或并聯(lián)，不但限制著LED的使用量，而且并聯(lián)LED負(fù)載電流較大，驅(qū)動(dòng)器的成本也會(huì)大增。

今按《寶真齋法書贊》卷十五《黃魯直催繡詞帖》錄黃庭堅(jiān)行書四行：“前歲迷藏花柳，恰恰如今時(shí)候。諸事幾時(shí)忺，鏡中贏得清瘦。生受，生受，更被養(yǎng)娘催繡”。并有按語云：“右山谷先生《催繡詞帖》真跡一卷。先生平生語莊，此帖故游戲耳?！痹犁妗秾氄纨S法書贊》頗為嚴(yán)謹(jǐn)，內(nèi)中涉及多篇黃庭堅(jiān)書法及其詩文詞作等，均極可靠。此帖未言系黃庭堅(jiān)書寫秦觀作品，當(dāng)系自作。因此基本可以斷定，此詞著作權(quán)應(yīng)屬于黃庭堅(jiān)，嘉靖本不誤。

解決方法：采用混聯(lián)方式?；炻?lián)形式綜合了串聯(lián)形式和并聯(lián)形式的各自優(yōu)點(diǎn)，主要的形式有2種：先串聯(lián)后并聯(lián)和先并聯(lián)后串聯(lián)。把LED連接成串聯(lián)/并聯(lián)組合的形式，可以大幅降低因驅(qū)動(dòng)電壓不一致造成的影響。

采用混聯(lián)方式既保證有一定的可靠性(每串中的LED故障最多只影響本串的正常發(fā)光)，又保證與驅(qū)動(dòng)電路的匹配(驅(qū)動(dòng)器輸出合適的電壓)。整個(gè)電路具有結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、連結(jié)方便、效率較高等特點(diǎn)，適用于LED數(shù)量多的應(yīng)用場(chǎng)合。某車型開關(guān)背光驅(qū)動(dòng)電路為混聯(lián)方式，見圖4。由于LED驅(qū)動(dòng)電壓在（1.8～2.4） V，所以串聯(lián)的LED數(shù)量不多于4顆；否則，整車電壓較低時(shí)，串聯(lián)的LED將可能出現(xiàn)同時(shí)不能點(diǎn)亮的現(xiàn)象。

圖4 開關(guān)背光驅(qū)動(dòng)電路

LED每4顆串聯(lián)，然后再并聯(lián)。由于按鍵表面的亮度與LED距離按鍵表面的高度近似成反比，因此，開關(guān)上出現(xiàn)背光亮度不均的原因之一，是4顆串聯(lián)的LED距離按鍵表面的高度不盡相同。必須保證4顆串聯(lián)的LED在電路板上的排布距離按鍵表面的高度相近，否則透過表面的亮度將會(huì)出現(xiàn)不均的現(xiàn)象。

圖4中，由于LED7、LED8、LED9、LED20串聯(lián)，所以LED的本身亮度基本一致。但是由于開關(guān)隔光結(jié)構(gòu)及按鍵結(jié)構(gòu)不同，同一個(gè)串聯(lián)回路的開關(guān)按鍵的表面亮度出現(xiàn)了亮度不等的現(xiàn)象。其中座椅加熱開關(guān)的亮度尤其偏低，最亮處也只有2.7 cd/m2，而其它3個(gè)按鍵均在4.5 cd/m2以上。

為了使得按鍵表面亮度均勻一致，將按鍵LED9單獨(dú)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，如圖5所示。調(diào)節(jié)其串聯(lián)電阻，使得其亮度達(dá)到4 cd/m2以上。

圖5 更改后電路圖

4.3 開關(guān)按鍵及導(dǎo)光體結(jié)構(gòu)

按鍵及導(dǎo)光體結(jié)構(gòu)是影響亮度及均勻性的又一因素。

4.3.1 按鍵殼體的結(jié)構(gòu)

某開關(guān)按鍵信標(biāo)透光區(qū)域沒有局部處理，包括局部剪薄及局部拋光處理等，將直接影響到LED光線的透過性。光照合格按鍵與非合格按鍵背部結(jié)構(gòu)的對(duì)比見圖6。

圖6 開關(guān)按鍵殼體結(jié)構(gòu)

從圖6中可以看出合格產(chǎn)品按鍵信標(biāo)區(qū)域背部表面光潔，局部區(qū)域做平面處理且壁厚剪薄。非合格產(chǎn)品背部信標(biāo)區(qū)域沒有做任何處理，對(duì)LED光線的透過性造成損失。

4.3.2 隔光腔體的結(jié)構(gòu)與信標(biāo)區(qū)域的位置關(guān)系

開關(guān)隔光體的結(jié)構(gòu)與開關(guān)按鍵信標(biāo)區(qū)域有重合，即一部分腔體結(jié)構(gòu)做在了信標(biāo)區(qū)域內(nèi)，導(dǎo)致重疊的區(qū)域光照直接受到影響，使得開關(guān)按鍵表面出現(xiàn)邊緣較暗的現(xiàn)象。

圖7中，綠色區(qū)域線條為“前風(fēng)窗”按鍵隔光結(jié)構(gòu)，黃色區(qū)域?yàn)樾艠?biāo)區(qū)域。可以明顯看出信標(biāo)上端與下端已經(jīng)與開關(guān)背部腔體結(jié)構(gòu)重合，導(dǎo)致此處信標(biāo)線條偏暗，按鍵頂部?jī)H3.6 cd/m2。測(cè)試效果見圖8。

圖7 按鍵信標(biāo)及隔光結(jié)構(gòu)

4.3.3 工作指示燈導(dǎo)光體大小及結(jié)構(gòu)

圖8 前風(fēng)窗開關(guān)按鍵背光亮度曲線

按鍵工作指示燈是通過導(dǎo)光體將LED光線呈現(xiàn)出來。導(dǎo)光體長(zhǎng)度及結(jié)構(gòu)使得導(dǎo)光體表面亮度產(chǎn)生不均勻現(xiàn)象。LED導(dǎo)光體的結(jié)構(gòu)見圖9。

測(cè)試亮度曲線見圖10。指示燈亮度最亮的是19 cd/m2。

圖9 導(dǎo)光體結(jié)構(gòu)

圖10 AUTO指示燈亮度曲線

將工作指示燈結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度減短，如圖11黃色結(jié)構(gòu)所示。經(jīng)測(cè)試，指示燈的亮度達(dá)到51 cd/m2以上。

圖11 更改后導(dǎo)光體結(jié)構(gòu)

因?yàn)橹甘緹魧?dǎo)光體材料為透明PC，所以材料有一定的透光率。結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度越長(zhǎng)，透射到表面的光線越少。因此，減短導(dǎo)光體長(zhǎng)度，可以提高表面亮度。

4.3.4 開關(guān)背光及指示燈的散熱結(jié)構(gòu)

LED發(fā)光電流、發(fā)光效率、光輸出量都與溫度有重要的關(guān)系，藍(lán)光、綠光和白光LED的光輸出量和P-N結(jié)溫度的關(guān)系曲線見圖12。從中看到LED的亮度會(huì)隨溫度的升高而下降。此外，LED溫度的升高還會(huì)增加功耗，大大降低LED的有效壽命。因此，做好LED背光的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常重要。 方法：可通過每顆LED四角均有涂銅，以利于LED芯片的散熱。

圖12 LED光輸出量與溫度的關(guān)系曲線

4.4 導(dǎo)光體制造工藝

4.4.1 導(dǎo)光材料添加適量散光劑

工作指示燈表面亮度會(huì)出現(xiàn)某點(diǎn)的亮度偏暗或者偏亮。原因之一是導(dǎo)光材料不均，導(dǎo)致內(nèi)部某點(diǎn)對(duì)LED光線產(chǎn)生折射，使得人眼看上去出現(xiàn)局部亮點(diǎn)現(xiàn)象?？梢酝ㄟ^添加適量散光劑的形式，改善導(dǎo)光體的透光均勻性。此外需要在導(dǎo)光體表面進(jìn)行腐蝕紋理花紋，增加漫反射。

發(fā)光二極管分有色透明、無色透明、有色散射和無色散射4種類型。工作指示燈最好選擇散射型發(fā)光二極管。

4.4.2 按鍵表面信標(biāo)鐳雕干凈徹底

按鍵表面噴漆雷雕，以顯示信標(biāo)的區(qū)域范圍。雷雕表面漆的徹底性，也是影響按鍵表面亮度的重要因素。雕刻不徹底，信標(biāo)上有殘余的油漆；雕刻過深，按鍵表面出現(xiàn)燒蝕，均將直接影響背部LED光線的穿越，導(dǎo)致信標(biāo)偏暗或者不均勻。

5 結(jié)論

通過對(duì)開關(guān)背光照明及工作指示燈亮度均勻性影響因素的分析，提高并改善了開關(guān)在背光及工作指示燈亮度上的均勻性。

開關(guān)最終測(cè)試曲線見圖13和圖14，其中圖示每一點(diǎn)坐標(biāo)均代表開關(guān)一個(gè)按鍵。開關(guān)背光亮度要求（4～8） cd/m2，工作指示燈亮度要求（35～65）cd/m2。

圖13 開關(guān)背光亮度測(cè)試曲線

圖14 開關(guān)工作指示燈亮度測(cè)試曲線

由曲線圖可以看出，開關(guān)背光和工作指示燈亮度基本趨于設(shè)計(jì)要求。

在設(shè)計(jì)開關(guān)按鍵背光及工作指示燈時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

1）背光源LED要批量選擇，且同一輛車上不要用到兩個(gè)批次以上的LED。避免因?yàn)楸彻庠吹陌l(fā)光亮度不同導(dǎo)致按鍵及指示燈亮度的不均勻性。

2）對(duì)于多個(gè)開關(guān)集成的開關(guān)總成，背光源LED優(yōu)先選擇混聯(lián)式布置電路。串聯(lián)LED應(yīng)不多于4顆。盡量選擇開關(guān)按鍵表面距離電路板高度基本一致的按鍵串聯(lián)。

3）布置LED電路板時(shí)考慮LED的散熱性結(jié)構(gòu)。

4）保證按鍵信標(biāo)在LED的可照范圍內(nèi)。

5）按鍵信標(biāo)區(qū)域做模具處理，保證信標(biāo)區(qū)域的透光性良好。

6）合理選擇工作指示燈導(dǎo)光體結(jié)構(gòu)。

7）指示燈導(dǎo)光體表面做紋理腐蝕，材料添加適當(dāng)?shù)纳⒐鈩?，以增加光線的漫反射。

8）信標(biāo)鐳雕徹底，避免有殘余漆膜留在按鍵可視表面。

[1]陳大華，于冰，劉祥吉.淺談LED光源的特性[J］.中國(guó)照明，2006（3）：40-42.

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（編輯 張每文）

Brightness Uniformity Influencing Factor Analysis of AUTO Switch Lights and Backlights

XUE Xian-long
(China FAW Corporation R&D Centre，Changchun 130011，China)

This article mainly analyses the brightness uniformity influencing factors from the aspects of lighting performance，LED circuit layout，LED radiator structure，light guide structure，fabrication technology，and then proposes some effective solutions. Through the practical application and testing，the brightness uniformity of switch lights and backlights could be improved to a certain extent.

bottom； brightness uniformity； backlight； indicator light； LED circuit board layout； light guide structure

U463.652

A

1003-8639（2017）03-0033-05

2016-09-06

薛現(xiàn)龍（1983-），男，碩士，主要研究方向?yàn)殡姎庠O(shè)計(jì)。