金鑒方博士：車規(guī)AEC-Q102認(rèn)證需要一個強大的LED失效分析實驗室作基礎(chǔ)支撐

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

圖1 儀表盤提示檢查右前駐車燈

但在LED技術(shù)不斷發(fā)展的過程中，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)行等問題始終困擾著各工程師。基于這一背景，通過分析一般診斷方法，針對傳統(tǒng)診斷方法給出修改意見或者實際電路，提出能夠滿足各種功能需求的綜合方法。

LED車燈常見故障

對傳統(tǒng)鹵素?zé)魜碚f，光源僅有on光源和off光源兩種狀態(tài)。在正常運行過程中，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（開路和短路）的電流或電壓的參數(shù)相差很大。所以通過檢測電路中電壓或者電流就能輕松檢測出電路中是否存在故障。

但是，對LED燈而言，因為每個部分是通過多個LED來實現(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），因此無論是LED還是LED的驅(qū)動器，都存在兩種故障（開路或短路）的可能。另外，因為車燈在高溫、高濕環(huán)境中工作，滲水或者進(jìn)水的危險較大，甚至電路可靠性極高時，都會出現(xiàn)漏電現(xiàn)象。

LED驅(qū)動器的組成

診斷一般有兩種方法：LED光源診斷法和LED驅(qū)動器診斷法。驅(qū)動診斷通常是通過開路進(jìn)行的，也就是通過評估實際輸出（電流/電壓）與理論值（電流/電壓）的一致性來確定車燈性能的正常與否。通常情況下，診斷電路和LED驅(qū)動器之間存在較強的相關(guān)性。為確保LED電路既簡單可靠又經(jīng)濟(jì)有效，LED驅(qū)動電路與故障電路必須很好地配合。LED驅(qū)動器一般采用以下三種方式實現(xiàn)。

表1 LED驅(qū)動器分類

診斷模塊的組成

故障診斷反饋系統(tǒng)由驅(qū)動、數(shù)據(jù)采集、診斷、反饋等模塊組成。驅(qū)動模塊通常由電阻或線性電路或恒流驅(qū)動電路來實現(xiàn)，并能實現(xiàn)控制邏輯和技術(shù)要求，是LED驅(qū)動電路的核心。采集模塊主要負(fù)責(zé)LED電壓信息的采集，通過對信號的放大，為診斷模塊提供輸入。診斷模塊負(fù)責(zé)檢測電壓的故障評估，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（車身控制模塊）。BSI此信息傳輸?shù)絻x表盤，儀表盤將警告駕駛員發(fā)生故障的位置。

圖2 典型LED車燈診斷驅(qū)動模塊結(jié)構(gòu)

在診斷系統(tǒng)的設(shè)計中，首先要根據(jù)不同的LED電路形式，評價如何滿足診斷要求。通常，BSI對相關(guān)參數(shù)的要求如下：

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

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

3. 漏電流：電路開路時的電流。對于LED的前照燈，由于儲能元件如電容器的存在，即使電路斷開，儲能元件也能為LED提供電流，導(dǎo)致工作過程中產(chǎn)生車燈的閃光現(xiàn)象。

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

LED故障診斷思路的構(gòu)想:

基于LED驅(qū)動的分類，一般有基于最小電流、基于開關(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的故障通常會導(dǎo)致開路或個別LED開關(guān)斷開。開路時，電路電壓升高，觸發(fā)過壓保護(hù)，產(chǎn)生故障信號；但如果只是個別LED開關(guān)斷開，電路的電流變化不大，此時，可以在電路中串聯(lián)一個光耦合器。如果正常工作的LED能夠滿足亮度性能要求，則個別LED開關(guān)斷開不會導(dǎo)致電路關(guān)斷，此時車燈可正常使用；如果不能，則整個電路關(guān)斷，觸發(fā)故障報警。

圖3 基于最小電流的診斷電路

基于開關(guān)電路診斷的思路：通常情況下要求，轉(zhuǎn)向燈工作正常時顯示高電平，工作異常時顯示低電平；以圖4為例，LED在正常運行狀態(tài)下Q3基極為高電平，Q3接通后Q2基極為低電平，Q2閉合；此時反饋電壓為高電平；反之，為低電平；由于汽車電子產(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，無論LED是否工作，Q3的基極都會處于低電平，這樣Q3一直都是“關(guān)”著的，此時低電評反饋信息可能導(dǎo)致系統(tǒng)誤報，所以構(gòu)思期間需要監(jiān)測個別LED，保證工作電壓維持9V不誤報。

圖4 基于開關(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/關(guān)斷，從而影響反饋電壓的高低；其優(yōu)勢是，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：占空比是一個周期內(nèi)工作時間與整個時間的百分比，PWM診斷是一種通過設(shè)置不同占空比實現(xiàn)的電路；對于具有多種功能（如轉(zhuǎn)向燈、位置燈、行車燈等）的燈具，如果將上述3種電路作為首選方案，整個電路不可避免地會變得復(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，從而簡化整個系統(tǒng)。

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

1、也就是LED在工作過程中的頻率問題。

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工作時間。汽車電子系統(tǒng)脈沖寬度一般以ms為單位。

4、對于不同的功能檢測，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由一個主控模塊和多個次級模塊組成。主控模塊負(fù)責(zé)處理不同模塊的電平信息，次級模塊發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，因此，一個LIN模塊可以實現(xiàn)車燈的通訊和故障檢測功能。

圖7 LIN模塊通信結(jié)構(gòu)