金鑒方博士：車(chē)規(guī)AEC-Q102認(rèn)證需要一個(gè)強(qiáng)大的LED失效分析實(shí)驗(yàn)室作基礎(chǔ)支撐

隨著車(chē)速的不斷提高，交通流量越來(lái)越大，夜晚出現(xiàn)事故的概率逐年增大。車(chē)燈作為汽車(chē)與汽車(chē)及周邊環(huán)境通信的工具，對(duì)于確保夜間駕駛安全具有十分重要的意義。在夜間駕駛過(guò)程中，若具備了某一項(xiàng)功能，例如遠(yuǎn)光燈，近光燈，停車(chē)燈，轉(zhuǎn)向燈或者尾燈等都不能夠正常運(yùn)行，那么車(chē)廂里的司機(jī)就不能夠很容易地感知到故障，繼而就會(huì)出現(xiàn)車(chē)禍。所以確保夜間行車(chē)安全的首要任務(wù)就是要確保車(chē)燈各項(xiàng)功能能夠正常運(yùn)行并在車(chē)燈出現(xiàn)故障時(shí)第一時(shí)間通知司機(jī)。事實(shí)上，GB4785-2019及其以前的版本均明確表示，針對(duì)轉(zhuǎn)向燈和停車(chē)燈的作用，有必要在醞釀時(shí)考慮增加車(chē)燈診斷方法，若發(fā)生故障時(shí)，司機(jī)周?chē)h(huán)境可給予視覺(jué)或者音頻提示，告知駕駛員主動(dòng)采取措施。

圖1 儀表盤(pán)提示檢查右前駐車(chē)燈

但在LED技術(shù)不斷發(fā)展的過(guò)程中，LED燈具診斷中具體參數(shù)的確定和如何經(jīng)濟(jì)有效地進(jìn)行等問(wèn)題始終困擾著各工程師。基于這一背景，通過(guò)分析一般診斷方法，針對(duì)傳統(tǒng)診斷方法給出修改意見(jiàn)或者實(shí)際電路，提出能夠滿足各種功能需求的綜合方法。

LED車(chē)燈常見(jiàn)故障

對(duì)傳統(tǒng)鹵素?zé)魜?lái)說(shuō)，光源僅有on光源和off光源兩種狀態(tài)。在正常運(yùn)行過(guò)程中，各參數(shù)（電流、電壓、溫度）一直處于良好的狀態(tài)；故障發(fā)生后，燈絲被熔斷，電路被切斷。一般情況下短路發(fā)生概率比較小。這兩種情況（開(kāi)路和短路）的電流或電壓的參數(shù)相差很大。所以通過(guò)檢測(cè)電路中電壓或者電流就能輕松檢測(cè)出電路中是否存在故障。

但是，對(duì)LED燈而言，因?yàn)槊總€(gè)部分是通過(guò)多個(gè)LED來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以其中電路連接方式也有所不同（串聯(lián)的，并聯(lián)的或者混合的），因此無(wú)論是LED還是LED的驅(qū)動(dòng)器，都存在兩種故障（開(kāi)路或短路）的可能。另外，因?yàn)檐?chē)燈在高溫、高濕環(huán)境中工作，滲水或者進(jìn)水的危險(xiǎn)較大，甚至電路可靠性極高時(shí)，都會(huì)出現(xiàn)漏電現(xiàn)象。

LED驅(qū)動(dòng)器的組成

診斷一般有兩種方法：LED光源診斷法和LED驅(qū)動(dòng)器診斷法。驅(qū)動(dòng)診斷通常是通過(guò)開(kāi)路進(jìn)行的，也就是通過(guò)評(píng)估實(shí)際輸出（電流/電壓）與理論值（電流/電壓）的一致性來(lái)確定車(chē)燈性能的正常與否。通常情況下，診斷電路和LED驅(qū)動(dòng)器之間存在較強(qiáng)的相關(guān)性。為確保LED電路既簡(jiǎn)單可靠又經(jīng)濟(jì)有效，LED驅(qū)動(dòng)電路與故障電路必須很好地配合。LED驅(qū)動(dòng)器一般采用以下三種方式實(shí)現(xiàn)。

表1 LED驅(qū)動(dòng)器分類(lèi)

診斷模塊的組成

故障診斷反饋系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)采集、診斷、反饋等模塊組成。驅(qū)動(dòng)模塊通常由電阻或線性電路或恒流驅(qū)動(dòng)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，并能實(shí)現(xiàn)控制邏輯和技術(shù)要求，是LED驅(qū)動(dòng)電路的核心。采集模塊主要負(fù)責(zé)LED電壓信息的采集，通過(guò)對(duì)信號(hào)的放大，為診斷模塊提供輸入。診斷模塊負(fù)責(zé)檢測(cè)電壓的故障評(píng)估，并將故障信息傳遞給反饋系統(tǒng)。反饋模塊根據(jù)診斷模塊的信息傳遞給BSI（車(chē)身控制模塊）。BSI此信息傳輸?shù)絻x表盤(pán)，儀表盤(pán)將警告駕駛員發(fā)生故障的位置。

圖2 典型LED車(chē)燈診斷驅(qū)動(dòng)模塊結(jié)構(gòu)

在診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，首先要根據(jù)不同的LED電路形式，評(píng)價(jià)如何滿足診斷要求。通常，BSI對(duì)相關(guān)參數(shù)的要求如下：

1.車(chē)燈工作電壓：保證車(chē)燈正常工作的基本電壓，一般在8～16V之間，即車(chē)燈必須在該范圍內(nèi)正常工作（無(wú)異常關(guān)斷、無(wú)閃爍）。

2.工作電流：保證燈具正常工作的基本電流。LED燈得電流要求相對(duì)較低，因此電流范圍通常定義在0.1A到7A之間；當(dāng)汽車(chē)燈在規(guī)定電流下工作時(shí)，需要考慮所有功能燈的可靠性。

3. 漏電流：電路開(kāi)路時(shí)的電流。對(duì)于LED的前照燈，由于儲(chǔ)能元件如電容器的存在，即使電路斷開(kāi)，儲(chǔ)能元件也能為L(zhǎng)ED提供電流，導(dǎo)致工作過(guò)程中產(chǎn)生車(chē)燈的閃光現(xiàn)象。

4.最小診斷電流：如果故障診斷是通過(guò)最小電流檢測(cè)的方式實(shí)現(xiàn)，則電路需要考慮車(chē)身系統(tǒng)的最小電流要求。

LED故障診斷思路的構(gòu)想:

基于LED驅(qū)動(dòng)的分類(lèi)，一般有基于最小電流、基于開(kāi)關(guān)電路、基于比較器的反饋電路等診斷方法。本文在分析的基礎(chǔ)上，提出了用PWM進(jìn)行診斷和通過(guò)總線結(jié)構(gòu)進(jìn)行診斷的方法。

基于最小電流診斷的思路：在恒流電路中，LED的故障通常會(huì)導(dǎo)致開(kāi)路或個(gè)別LED開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。開(kāi)路時(shí)，電路電壓升高，觸發(fā)過(guò)壓保護(hù)，產(chǎn)生故障信號(hào)；但如果只是個(gè)別LED開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，電路的電流變化不大，此時(shí)，可以在電路中串聯(lián)一個(gè)光耦合器。如果正常工作的LED能夠滿足亮度性能要求，則個(gè)別LED開(kāi)關(guān)斷開(kāi)不會(huì)導(dǎo)致電路關(guān)斷，此時(shí)車(chē)燈可正常使用；如果不能，則整個(gè)電路關(guān)斷，觸發(fā)故障報(bào)警。

圖3 基于最小電流的診斷電路

基于開(kāi)關(guān)電路診斷的思路：通常情況下要求，轉(zhuǎn)向燈工作正常時(shí)顯示高電平，工作異常時(shí)顯示低電平；以圖4為例，LED在正常運(yùn)行狀態(tài)下Q3基極為高電平，Q3接通后Q2基極為低電平，Q2閉合；此時(shí)反饋電壓為高電平；反之，為低電平；由于汽車(chē)電子產(chǎn)品的工作電壓通常在9-16V之間，當(dāng)工作電壓保持在9V時(shí)，無(wú)論LED是否工作，Q3的基極都會(huì)處于低電平，這樣Q3一直都是“關(guān)”著的，此時(shí)低電評(píng)反饋信息可能導(dǎo)致系統(tǒng)誤報(bào)，所以構(gòu)思期間需要監(jiān)測(cè)個(gè)別LED，保證工作電壓維持9V不誤報(bào)。

圖4 基于開(kāi)關(guān)電路的診斷電路

基于比較器的反饋診斷電路：該電路利用放大器和比較器比較采集電壓和基準(zhǔn)電壓的大小，控制終端晶體管的打開(kāi)/關(guān)斷，從而影響反饋電壓的高低；其優(yōu)勢(shì)是，即使輸入電壓低于9V，該電路也可以用于故障診斷（圖5）。

圖5 基于比較器的反饋診斷電路

用PWM進(jìn)行診斷：占空比是一個(gè)周期內(nèi)工作時(shí)間與整個(gè)時(shí)間的百分比，PWM診斷是一種通過(guò)設(shè)置不同占空比實(shí)現(xiàn)的電路；對(duì)于具有多種功能（如轉(zhuǎn)向燈、位置燈、行車(chē)燈等）的燈具，如果將上述3種電路作為首選方案，整個(gè)電路不可避免地會(huì)變得復(fù)雜；而PWM診斷將不同的占空比設(shè)置為代表一種特定的故障，則只用一條導(dǎo)線就可以用于所有功能的故障診斷。這樣可以大大減少導(dǎo)線數(shù)量，從而簡(jiǎn)化整個(gè)系統(tǒng)。

應(yīng)用此法進(jìn)行診斷電路設(shè)計(jì)，構(gòu)思時(shí)應(yīng)注意幾點(diǎn)要求。

1、也就是LED在工作過(guò)程中的頻率問(wèn)題。

由于電子器件具有固有頻率，為了準(zhǔn)確控制占空比要求電路以恒定頻率運(yùn)行。

2、電路工作電壓取決于電路中電阻值的大小，用示波器可以找到穩(wěn)定的數(shù)值。

3、就是電路在工作一工作周期中的真實(shí)工作時(shí)間。汽車(chē)電子系統(tǒng)脈沖寬度一般以ms為單位。

4、對(duì)于不同的功能檢測(cè)，占空比不能太接近，以避免相互干擾。

圖6 多功能燈具集成模塊診斷與BSI

通過(guò)總線診斷（以LIN通信網(wǎng)絡(luò)為例）：

LIN是一種基于SCI或UART接口的低成本串行通信網(wǎng)絡(luò)。它基于主從結(jié)構(gòu)，減輕了導(dǎo)線的重量和成本。它也是一種傳輸速率為1-20kbps的低層通信總線協(xié)議。LIN由一個(gè)主控模塊和多個(gè)次級(jí)模塊組成。主控模塊負(fù)責(zé)處理不同模塊的電平信息，次級(jí)模塊發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，因此，一個(gè)LIN模塊可以實(shí)現(xiàn)車(chē)燈的通訊和故障檢測(cè)功能。

圖7 LIN模塊通信結(jié)構(gòu)