一種失效后自恢復(fù)的電路設(shè)計(jì)

孫徐佳 劉如平 姚肖勇

摘要：自動(dòng)駕駛的發(fā)展催生了汽車產(chǎn)品功能安全的強(qiáng)制要求。功能安全是在識(shí)別故障后采取有效的措施來 盡可能挽回功能，保證駕乘人員的安全。而汽車車燈產(chǎn)品常見的電子電路故障包括接插件虛插、LED 損傷、 電路板溫度過高等，傳統(tǒng)電路設(shè)計(jì)中如果出現(xiàn)這些失效，功能將被關(guān)閉且要等下一個(gè)上電周期才能恢復(fù)。 采用一種失效后自恢復(fù)的電路設(shè)計(jì)在產(chǎn)品故障消除后自動(dòng)將電路恢復(fù)至正常工作狀態(tài)，該方案能更好地保 障產(chǎn)品盡可能處于工作狀態(tài)，更安全，作為純硬件電路方案成本低，能有效提高產(chǎn)品的可靠性。

關(guān)鍵詞：自恢復(fù)；電路；失效

中圖分類號(hào)：TN710.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

汽車產(chǎn)品的電子電路在工作中可能遇到各種 失效，如 LED 磕碰斷路導(dǎo)致熄滅、連接器接觸不 良導(dǎo)致產(chǎn)品時(shí)好時(shí)壞、線束脫落導(dǎo)致產(chǎn)品功能喪 失等。從電子元件本身到環(huán)境因素、裝配因素和 受外力損傷等都可能導(dǎo)致產(chǎn)品功能喪失，這些常 見的失效是基于對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的保護(hù)，在失效時(shí)關(guān) 閉保護(hù)電路可以避免起火、電源燒毀等情況。電 路設(shè)計(jì)的思路之一是要考慮整個(gè)系統(tǒng)的可靠性， 通過診斷故障為保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)的工作而關(guān)閉功能， 進(jìn)而減少安全隱患。但是關(guān)閉功能會(huì)降低產(chǎn)品用 戶體驗(yàn)感，在汽車領(lǐng)域關(guān)閉功能本身也與功能安 全的要求相違背，如關(guān)閉燈光就可能帶來新的安 全隱患 [1]。因此需要尋找更優(yōu)的解決方案，是否 可以在發(fā)生故障后，先診斷故障并關(guān)閉功能，避 免系統(tǒng)級(jí)的安全問題，再監(jiān)控故障的實(shí)時(shí)情況， 如果故障一直存在則維持現(xiàn)狀，如果故障消除了就通過電路設(shè)計(jì)自恢復(fù)產(chǎn)品功能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 目標(biāo)預(yù)設(shè)

汽車車燈中常見的問題是內(nèi)部連接器接觸不 良，原本出現(xiàn)故障后燈光會(huì)熄滅，電路會(huì)鎖定，需 要手動(dòng)重開關(guān)燈才能恢復(fù)功能，目前可以通過設(shè)計(jì) 自恢復(fù)電路，在同一上電周期內(nèi)失效后電路自行 恢復(fù)點(diǎn)亮 [2]。該上電周期強(qiáng)調(diào)整個(gè)電路是否需要重 新得電，從應(yīng)用場景考慮，目前眾多電路掛在蓄 電池正極 KL30 上，由電池供電，除非車身控制器 （body control module，BCM）休眠再喚醒，否則不 會(huì)有重新得電的機(jī)會(huì)，所以在一個(gè)上電周期內(nèi)恢復(fù) 具有一定意義。

1.2 電路模塊方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)包含重啟開關(guān)模塊、延時(shí)模塊和放電模 塊，新設(shè)計(jì)的自恢復(fù)電路是屬于整個(gè)系統(tǒng)電路中的一個(gè)模塊，整個(gè)系統(tǒng)電路除了自恢復(fù)電路模塊還包 含電源、驅(qū)動(dòng)模塊和 LED 負(fù)載，如圖 1 所示。

1.3 電路原理設(shè)計(jì)及工作步驟

如圖 2 所示，與自恢復(fù)電路模塊的對(duì)應(yīng)關(guān)系 如下：放電模塊包含驅(qū)動(dòng)芯片的 FLTS 診斷信號(hào) 腳、電阻 R25 和電容 C28；延時(shí)模塊包含二極管 D24，電阻 R15、R23、R14，電容 C5；重啟開關(guān) 模塊包含驅(qū)動(dòng)芯片的脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation，PWM）信號(hào)腳、電阻 R1、電容 C2 和 三極管 Q9。

正常情況下，采用 12 V 電源給驅(qū)動(dòng)模塊供電， 驅(qū)動(dòng)模塊點(diǎn)亮 LED 負(fù)載，此時(shí)自恢復(fù)電路模塊沒 有收到故障診斷信號(hào)，F(xiàn)LTS 腳為低電平，三極管 Q9 為關(guān)閉狀態(tài)，PWM 腳通過電阻 R1 拉高電平， 保持高電平，驅(qū)動(dòng)芯片正常工作，即沒有重啟信 號(hào)，相當(dāng)于自恢復(fù)電路模塊此時(shí)處于待機(jī)狀態(tài)。

當(dāng)出現(xiàn)產(chǎn)品失效，如 LED 短路，驅(qū)動(dòng)模塊就 會(huì)發(fā)出故障診斷信號(hào)，驅(qū)動(dòng)芯片將 FLTS 腳拉高 至 5 V，該電平通過電阻 R23、R14 限流打開三極 管 Q9，則三極管的集電極和發(fā)射極導(dǎo)通，PWM 腳 的電平被拉低至 0 V，芯片自動(dòng)關(guān)閉。驅(qū)動(dòng)芯片關(guān) 閉后，F(xiàn)LTS 腳也被拉低至 0 V，同時(shí) 5 V 電平通 過電阻 R15 給電容 C5 充電，充電完成后再通過電 阻 R23、R14 放電，且由于二極管 D24 的存在，三 極管基極的電平不會(huì)反向放電到 FLTS 腳。目前的 參數(shù)配置中的電阻、電容值選擇對(duì)應(yīng)充放電時(shí)間約 為 26 ms，而隨著芯片關(guān)閉，F(xiàn)LTS 腳上的 5 V 電平 通過電阻 R25 逐步放電。該案例中 FLTS 腳的閾值 電壓為 1.15 V，當(dāng) FLTS 腳小于 1.15 V 時(shí)則驅(qū)動(dòng)芯 片認(rèn)為故障已消除，該案例中的電阻阻值選擇對(duì)應(yīng) FLTS 腳的放電時(shí)間約為 2 ms。上述取值保證了延 時(shí)電路的時(shí)間 26 ms 大于放電模塊的時(shí)間 2 ms，所 以在芯片關(guān)閉時(shí)，F(xiàn)LTS 腳放電完成。三極管 Q9 基 極放電完成后，三極管 Q9 關(guān)閉，電阻 R1 將 PWM 腳拉高至 11.3 V（電池 12 V，扣除防反二極管的0.7 V），芯片自動(dòng)重啟，因?yàn)?FLTS 腳已經(jīng)放電至 1.15 V 以下，即故障已經(jīng)消除，所以驅(qū)動(dòng)芯片輸出 點(diǎn)燈信號(hào)給 LED 負(fù)載。本文假設(shè)此時(shí) LED 負(fù)載的 接觸不良短路已經(jīng)修復(fù)，則 LED 負(fù)載能被正常點(diǎn) 亮，整個(gè)過程中沒有人為重新接電池的操作，由電 路本身完成了失效后的自恢復(fù)。

如果 LED 負(fù)載沒有在第一個(gè)周期解除故障， 則在芯片重啟輸出點(diǎn)燈信號(hào)后還是發(fā)現(xiàn)存在失效， 此時(shí) FLTS 會(huì)被再次拉高，電路就會(huì)重復(fù)上述步驟， 直到失效的故障消除，電路完成自恢復(fù)。這種依據(jù) 失效狀態(tài)自恢復(fù)的電路達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期，給產(chǎn)品的 安全性和可靠性提供了極大的保障。

2 仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 仿真驗(yàn)證

在 13.5 V 輸入電壓下仿真 300 ms（25℃ 的 環(huán)境下），設(shè)置并聯(lián)電阻并通過編程的方式控制電 路在 10 ms 后出現(xiàn)短路故障，監(jiān)控 FLTS、PWM 和 LED 負(fù)極的電壓，進(jìn)而確認(rèn)電路狀態(tài)。通過 LTspice 仿真軟件 [3] 進(jìn)行驗(yàn)證，示波器測(cè)試結(jié)果如 圖 3 所示。在 10 ms 時(shí)出現(xiàn)故障，LED 串負(fù)極的電 壓 V（L—）對(duì)電源短路，同時(shí)驅(qū)動(dòng)芯片檢測(cè)到故障， 將 FLTS 電壓拉高，PWM 電壓拉低，而通過自恢 復(fù)電路的工作，F(xiàn)LTS 放電后，經(jīng)過一段延時(shí) PWM電壓會(huì)得到重新拉高的機(jī)會(huì)，相當(dāng)于電路重啟，前 幾個(gè)周期故障仍然存在，從示波器的曲線看 FLTS 不斷充放電，之后故障消除，此時(shí) PWM 電壓拉高 后電路恢復(fù)到正常工作。

2.2 關(guān)鍵參數(shù)選型

自恢復(fù)電路奏效的關(guān)鍵是對(duì)延時(shí)時(shí)間的控制，要 確保延時(shí)重啟 PWM 電壓時(shí)，故障電壓信號(hào) FLTS 已 經(jīng)降低至故障閾值以下，否則重啟后電路會(huì)繼續(xù)進(jìn) 入故障報(bào)錯(cuò)狀態(tài)。而對(duì)延時(shí)時(shí)間的控制主要在于電 容 C5 的取值。通過對(duì)極限情況進(jìn)行多次仿真發(fā)現(xiàn)， C5=150 nF 時(shí)處于臨界點(diǎn)，如果溫度為 -40℃，延時(shí) 后 FLTS 電壓僅為 1.05 V（FLTS 的閾值電壓是 1 V）。 采用相同方法對(duì)不同電容值進(jìn)行仿真后得到如圖 4 所 示曲線，此次設(shè)計(jì)的 C5=1 μF，在圖中用黑圓點(diǎn)標(biāo)識(shí)。

2.3 極端情況分析

極端情況首先考慮元器件的極限參數(shù)，則二極 管 D24 取最小導(dǎo)通電壓 0.5 V，三極管 Q9 取最小 放大倍數(shù) 250 倍。其他阻容器件電阻考慮 ±10% 的 誤差，電容考慮 ±25% 的誤差，總共有 11 個(gè)元器 件。再考慮 3 個(gè)溫度（-40℃、25℃、105℃）和 3 個(gè)電壓（9.7 V、13.5 V、16 V），在 1 個(gè)溫度、1 個(gè) 電壓下需仿真 211-1=2047 次，在溫度、電壓組合條 件下均進(jìn)行了仿真，結(jié)果顯示極端情況分析電路均 能達(dá)到自恢復(fù)的效果。

2.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

采用與 2.1 節(jié)仿真相似的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證， 通過示波器監(jiān)控 FLTS、PWM 和 LED 負(fù)極的電壓， 通過人為制造 LED 短路故障后消除故障的方式來 確認(rèn)自恢復(fù)電路能否正常工作，主要的判斷依據(jù)包 括：電路是否成功重啟和每個(gè)重啟激活周期時(shí)間是 否足夠，F(xiàn)LTS 腳電壓置為低電平且 PWM 腳電壓 置為高電平。對(duì) 3 個(gè)溫度、3 個(gè)電壓分別進(jìn)行樣件 實(shí)測(cè)，實(shí)際測(cè)試了 2 只樣件，結(jié)果均能達(dá)到預(yù)期。 圖 3 展示了部分實(shí)測(cè)結(jié)果，可見 FLTS 低于閾值且 PWM 高于閾值所需時(shí)間為 17.3 ms，小于重啟的時(shí) 間周期 20.6 ms，且故障消除 L—電壓置為低電平后 PWM 順利抬高，電路正常工作，因而自恢復(fù)電路 運(yùn)行成功。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種失效后自恢復(fù)的電路，其可在 電路診斷到故障時(shí)啟動(dòng)關(guān)閉保護(hù)機(jī)制且在故障消除 時(shí)能自恢復(fù)正常工作。通過理論計(jì)算、電路極端情 況仿真和樣件實(shí)測(cè)，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)具有可行性和可 靠性。綜上，從功能安全角度來看，該方案能更好 地保障產(chǎn)品盡可能處于工作狀態(tài)，更安全，且作為 純硬件電路方案成本低，能有效提高產(chǎn)品的可靠性。

參考文獻(xiàn)

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