基于電平盲區檢測原理的LED失效故障分析方法

李祥兵，王春才，肖義武，趙曉茹

（神龍汽車有限公司技術中心，武漢 湖北 430050）

隨著全球經濟的持續發展，資源短缺、環境污染問題日益凸顯。世界各國的節能環保意識不斷加強，LED半導體光源取代白熾燈已經成為國際照明領域的潮流。由于LED的諸多優點能滿足汽車燈具對節能、安全、舒適、豪華、環保和體現高科技等多方面的要求，汽車燈具的LED光源已成為國際發展方向和主流。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，開發和完善既能滿足大批量的生產又能滿足高品質要求的LED汽車燈具的制造技術也越來越成為當務之急。

LED是一種直接將電能轉化為可見光的器件。根據光與功率之間的當量關系，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換為光能輸出，其余大部分都轉化成了熱能。從當前比較權威的數據來看，LED在輸入電能后，只有約15%～20%的能量轉換為光能，而其余多達80%以上的能量都轉化成了熱能。因此，從LED的能量轉化模式來看，LED本身是一個對溫度極其敏感的元件，LED照明產品廣泛推廣應用的關鍵級技術之一就是LED在各種情況下的可靠性，防止其異常失效。

1 盲區電平監測的理論基礎

1.1 LED調光原理實現

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

在PWM控制系統中，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這串LED。當柵極為高電平，此時MOSEFT開關激活，源極和漏極接通，LED發光。反之，當柵極得到一個低電平時，開關管的源極與漏極截止，此時LED處于熄滅狀態。MOSEFT開關切換的快慢，由PWM的頻率來確定，而每次打開與關閉之間間隔的時長，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控制的盲區電壓控制

在現代電子技術控制中，PWM波形的良好控制是實現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化的過程或者從高電平向低電平轉向的過程，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，控制器將無法識別和判斷，導致系統可能會出現誤判。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持續時間過長，那么由于控制器的誤判，將導致LED出現瞬間點亮或熄滅的現象，引起客戶抱怨。

圖1 盲區電壓產生機理

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

2 東風標致4008日間行車燈的實現方式

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驅動板和LED電路板。LED電路板主要集成LED光源以及相關的LED熱敏電阻，用于實現LED的發光功能；LED驅動板是整個LED模組的控制模塊，主要實現各個LED功能之間的邏輯控制、診斷、LED的熱保護以及LED驅動板的熱保護。

LED前照燈與車身之間是通過LED驅動板來實現供電、診斷和相關信息傳輸的。在本項目中，該LED光源主要實現兩種功能：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在開發過程中，曾出現LED日間行車燈異常熄滅的情況，通過各種手段都不能再現故障。

圖3為通過示波器監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測的電壓

根據LED驅動控制邏輯的設計原理，LED由位置燈轉換到日間行車燈的100 ms期間，LED驅動會檢測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，發現故障件重新通電后DRL可以恢復點亮，因此物理上的短路和斷路是可以排除的。通過示波器分析發現：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驅動會啟動對電壓的采樣檢測。如圖3所示，正常狀態下，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驅動處于盲區監測狀態，在這種情況下， LED驅動將無法對LED的狀態進行判斷。

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，即出現真正意義上的短路或斷路保護，從而將LED熄滅。

圖4 LED驅動控制的保護電路

通過深入分析，在PL切換到DRL瞬間，BSM（車身控制器）輸出給LED驅動兩端電壓由于PL關閉而下降，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，即DRL失效。

經過分析確認，在低于4.5 V狀態下，驅動對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，由于組合開關本身是一種機械結構，機械觸頭在接觸過程中的動作狀態會發生振動。

機械開關的觸點從斷開到閉合，或從閉合到斷開，從表面上看只經過一次變化，實際上，開關的觸點在此過程中將會發生抖動。換句話說，從斷開到穩定地閉合的過程中，開關要經過若干次的接通和斷開；從閉合到完全斷開過程中亦如此。在電平發生變化時，其前后都有無數個小脈沖，其持續的時間根據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，但是用計數器或示波器則可以準確地測出機械開關動作的波形。

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盲區檢測電壓應該是一種正常現象。

基于以上分析，在數值電路中，系統出現控制盲區是一種正常的現象，如何盡可能降低盲區電壓出現時長對系統的影響，是控制LED出現異常瞬間熄滅的關鍵。圖5為本項目采用的創新思路：當系統在低電平階段出現誤判時，試圖將低電平對應的閾值電壓提高或降低；當系統在高電平階段出現誤判時，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，系統將由之前的D點轉移到A點進行判斷；對高電平，系統將由C點轉移到B點進行識別判斷。

圖5 盲區電壓檢測參數優化原理

在東風標致4008前照燈LED日間行車燈的驗證試驗后發現，當開關在反復切換過程中，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，系統出現誤判。通過將控制電路板的軟件進行優化，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 實施效果與結論

軟件優化閾值前后對比見表1。

表1 軟件優化前后對比

通過以上對比可以看出，采用基于盲區電平檢測原理優化系統軟件后，標致4008日間行車燈在車燈的正常環境溫度范圍內，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。

該盲區電平檢測原理是在現有PWM控制策略的優化，是現有LED控制技術的補充。后續的研究中，將通過構建數學模型，對不同的PWM控制單元，通過簡單的方式來得出盲區電平檢測中的具體參數。

［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.