李祥兵，王春才，肖義武，趙曉茹

（神龍汽車有限公司技術(shù)中心，武漢 湖北 430050）

隨著全球經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，資源短缺、環(huán)境污染問題日益凸顯。世界各國的節(jié)能環(huán)保意識不斷加強，LED半導體光源取代白熾燈已經(jīng)成為國際照明領(lǐng)域的潮流。由于LED的諸多優(yōu)點能滿足汽車燈具對節(jié)能、安全、舒適、豪華、環(huán)保和體現(xiàn)高科技等多方面的要求，汽車燈具的LED光源已成為國際發(fā)展方向和主流。中國是世界上最大的潛在汽車市場，今后對LED汽車燈具的需求將越來越大，開發(fā)和完善既能滿足大批量的生產(chǎn)又能滿足高品質(zhì)要求的LED汽車燈具的制造技術(shù)也越來越成為當務之急。

LED是一種直接將電能轉(zhuǎn)化為可見光的器件。根據(jù)光與功率之間的當量關(guān)系，Km=683 lm/W，也就是說1W的輻通量在最理想的情況下（黑體輻射）可能產(chǎn)生683 lm的光通量，所以，即使LED的光效達到當前預期的200 lm/W，也不能將全部的能量轉(zhuǎn)換為光能輸出，其余大部分都轉(zhuǎn)化成了熱能。從當前比較權(quán)威的數(shù)據(jù)來看，LED在輸入電能后，只有約15%～20%的能量轉(zhuǎn)換為光能，而其余多達80%以上的能量都轉(zhuǎn)化成了熱能。因此，從LED的能量轉(zhuǎn)化模式來看，LED本身是一個對溫度極其敏感的元件，LED照明產(chǎn)品廣泛推廣應用的關(guān)鍵級技術(shù)之一就是LED在各種情況下的可靠性，防止其異常失效。

1 盲區(qū)電平監(jiān)測的理論基礎(chǔ)

1.1 LED調(diào)光原理實現(xiàn)

對于采用LED光源來實現(xiàn)多功能的驅(qū)動電路，一般采用PWM（脈寬調(diào)制）來實現(xiàn)多種不同亮度的LED功能。

在PWM控制系統(tǒng)中，LED的連接方式通常為：陽極通過一個齊納二極管與電源相連，陰極為LED控制端，通常連接一個MOSEFT管，用于快速通斷LED串。LED驅(qū)動上的控制信號加到MOSEFT管的柵極，通過脈沖信號快速地開關(guān)這串LED。當柵極為高電平，此時MOSEFT開關(guān)激活，源極和漏極接通，LED發(fā)光。反之，當柵極得到一個低電平時，開關(guān)管的源極與漏極截止，此時LED處于熄滅狀態(tài)。MOSEFT開關(guān)切換的快慢，由PWM的頻率來確定，而每次打開與關(guān)閉之間間隔的時長，由PWM的占空比來確定。在本例中，芯片依靠單獨的PWM模塊采集外界開關(guān)信號，通過軟件編程獲取一個精準的PWM信號。

1.2 PWM控制的盲區(qū)電壓控制

在現(xiàn)代電子技術(shù)控制中，PWM波形的良好控制是實現(xiàn)信號良好輸入的重要前提。在實際運用中，當電平從低電平向高電平轉(zhuǎn)化的過程或者從高電平向低電平轉(zhuǎn)向的過程，并不是階躍信號，而是存在一個上升沿或下降沿（如圖1中a、b），由于a、b既不是處于高電平也不是處于低電平，因此屬于信號控制的盲區(qū)，控制器將無法識別和判斷，導致系統(tǒng)可能會出現(xiàn)誤判。對于LED控制器而言，由于LED本身的響應時間非常短（一般為幾十微秒），如果a、b持續(xù)時間過長，那么由于控制器的誤判，將導致LED出現(xiàn)瞬間點亮或熄滅的現(xiàn)象，引起客戶抱怨。

圖1 盲區(qū)電壓產(chǎn)生機理

通常的處理措施，就是通過軟件延時的方法，將a、b兩段區(qū)域通過軟件來判斷是否進入盲區(qū)，但這種方式由于系統(tǒng)中電容的電荷累計效應，仍然會出現(xiàn)軟件誤判的情況。

2 東風標致4008日間行車燈的實現(xiàn)方式

圖2為東風標致4008前照燈與車身之間的電器連接方式。其中，前照燈LED模塊單元分為兩部分：LED驅(qū)動板和LED電路板。LED電路板主要集成LED光源以及相關(guān)的LED熱敏電阻，用于實現(xiàn)LED的發(fā)光功能；LED驅(qū)動板是整個LED模組的控制模塊，主要實現(xiàn)各個LED功能之間的邏輯控制、診斷、LED的熱保護以及LED驅(qū)動板的熱保護。

LED前照燈與車身之間是通過LED驅(qū)動板來實現(xiàn)供電、診斷和相關(guān)信息傳輸?shù)?。在本項目中，該LED光源主要實現(xiàn)兩種功能：DRL（日間行車燈功能）和PL（位置燈功能），這兩個功能共用同一搭鐵線（GND）。

圖2 標致4008前照燈與車身之間的連接方式

3 標致4008日間行車燈故障失效分析

東風標致4008在開發(fā)過程中，曾出現(xiàn)LED日間行車燈異常熄滅的情況，通過各種手段都不能再現(xiàn)故障。

圖3為通過示波器監(jiān)測到的位置燈與日間行車燈相互切換瞬間的電壓變化情況。

圖3 位置燈切換成日間行車燈瞬間監(jiān)測的電壓

根據(jù)LED驅(qū)動控制邏輯的設計原理，LED由位置燈轉(zhuǎn)換到日間行車燈的100 ms期間，LED驅(qū)動會檢測LED兩端電壓，如果兩端電壓小于9.2 V時則軟件判斷為短路；大于20 V則判斷為斷路。

在實際的驗證試驗中，發(fā)現(xiàn)故障件重新通電后DRL可以恢復點亮，因此物理上的短路和斷路是可以排除的。通過示波器分析發(fā)現(xiàn)：PL切換到DRL時，LED電流和兩端電壓存在脈沖，當電流不為0時，LED驅(qū)動會啟動對電壓的采樣檢測。如圖3所示，正常狀態(tài)下，檢測時的電壓值在11 V左右。由于11 V電壓處于斷路和短路的門檻電壓之間，即LED驅(qū)動處于盲區(qū)監(jiān)測狀態(tài)，在這種情況下， LED驅(qū)動將無法對LED的狀態(tài)進行判斷。

在實際電路設計（圖4）中，在位置燈與日間行車燈的輸入端（即保護電路），都有電容C1/C2對車身的異常波形進行去噪濾波。在日間行車燈與位置燈的反復切換過程中，由于電容中電荷的累積效應，經(jīng)過多次切換后，LED兩端的電壓會高于20 V或低于9.2 V，即出現(xiàn)真正意義上的短路或斷路保護，從而將LED熄滅。

圖4 LED驅(qū)動控制的保護電路

通過深入分析，在PL切換到DRL瞬間，BSM（車身控制器）輸出給LED驅(qū)動兩端電壓由于PL關(guān)閉而下降，而DRL開啟未上升到正常電壓，可能會存在小于4.5 V（LED驅(qū)動正常工作電壓）的情況。通過模擬試驗，有意拉長T1的時間，不到1 min，故障被成功再現(xiàn)，即DRL失效。

經(jīng)過分析確認，在低于4.5 V狀態(tài)下，驅(qū)動對11 V的電壓誤判低于9.2 V但大于7 V。

4 解決方案分析

從上述分析來看，日間行車燈與位置燈之間相互切換過程中，由于組合開關(guān)本身是一種機械結(jié)構(gòu)，機械觸頭在接觸過程中的動作狀態(tài)會發(fā)生振動。

機械開關(guān)的觸點從斷開到閉合，或從閉合到斷開，從表面上看只經(jīng)過一次變化，實際上，開關(guān)的觸點在此過程中將會發(fā)生抖動。換句話說，從斷開到穩(wěn)定地閉合的過程中，開關(guān)要經(jīng)過若干次的接通和斷開；從閉合到完全斷開過程中亦如此。在電平發(fā)生變化時，其前后都有無數(shù)個小脈沖，其持續(xù)的時間根據(jù)按鍵觸點的材料不同而不同。對通用繼電器而言，一般認為抖動持續(xù)時間為10～40 ms。盡管這種變化很難用肉眼和簡單的儀表測出，但是用計數(shù)器或示波器則可以準確地測出機械開關(guān)動作的波形。

由于這種按鍵噪聲的存在，導致實際從高電平到低電平的過程或者從低電平到高電平的過程，都必須經(jīng)過一段時間才能完成，因此，日間行車燈與位置燈之間相互切換過程中出現(xiàn)盲區(qū)檢測電壓應該是一種正?，F(xiàn)象。

基于以上分析，在數(shù)值電路中，系統(tǒng)出現(xiàn)控制盲區(qū)是一種正常的現(xiàn)象，如何盡可能降低盲區(qū)電壓出現(xiàn)時長對系統(tǒng)的影響，是控制LED出現(xiàn)異常瞬間熄滅的關(guān)鍵。圖5為本項目采用的創(chuàng)新思路：當系統(tǒng)在低電平階段出現(xiàn)誤判時，試圖將低電平對應的閾值電壓提高或降低；當系統(tǒng)在高電平階段出現(xiàn)誤判時，試圖將高電平對應的閾值電壓提高或降低，從而擴大或縮小檢測范圍。從圖5中，對低電平，系統(tǒng)將由之前的D點轉(zhuǎn)移到A點進行判斷；對高電平，系統(tǒng)將由C點轉(zhuǎn)移到B點進行識別判斷。

圖5 盲區(qū)電壓檢測參數(shù)優(yōu)化原理

在東風標致4008前照燈LED日間行車燈的驗證試驗后發(fā)現(xiàn)，當開關(guān)在反復切換過程中，存在電壓低于9.2V的情況，即低于軟件設計下限值9.2V，此時，系統(tǒng)出現(xiàn)誤判。通過將控制電路板的軟件進行優(yōu)化，將低電平電壓由之前9.2V降低到7V，基本消除了LED的異常熄滅問題。

5 實施效果與結(jié)論

軟件優(yōu)化閾值前后對比見表1。

表1 軟件優(yōu)化前后對比

通過以上對比可以看出，采用基于盲區(qū)電平檢測原理優(yōu)化系統(tǒng)軟件后，標致4008日間行車燈在車燈的正常環(huán)境溫度范圍內(nèi)，完全消除了異常熄滅的問題，因此該方案是一種行之有效的解決LED因電路中閾值設置不當導致的LED異常熄滅的方法。

該盲區(qū)電平檢測原理是在現(xiàn)有PWM控制策略的優(yōu)化，是現(xiàn)有LED控制技術(shù)的補充。后續(xù)的研究中，將通過構(gòu)建數(shù)學模型，對不同的PWM控制單元，通過簡單的方式來得出盲區(qū)電平檢測中的具體參數(shù)。

［1］ david Gavio， Mario J.Crespo. PWM series Dimming for Slow-Dynamics HPF LED Drivers： the High-Frequency Approch［J］. IEEE transactions on industrial electronics， 2012，59（4）.

［2］ 李祥兵. 汽車LED燈具閃爍中按鍵噪聲控制機理研究［J］.汽車電器，2017（2）：18-21.

［3］ 李祥兵，吳小兵，王春才，等.車燈LED風扇模型減噪措施研究［J］.汽車科技，2016（6）：44-48.