汽車LED燈具閃爍中按鍵噪聲控制機理研究

李祥兵

（神龍汽車有限公司技術中心，湖北 武漢 430050）

汽車LED燈具閃爍中按鍵噪聲控制機理研究

李祥兵

（神龍汽車有限公司技術中心，湖北 武漢 430050）

一直以來，電路中由于按鍵噪聲對電器元件的輸入、輸出存在很大干擾，怎樣消除按鍵噪聲，成為電路設計中的一大難題。本文借助東風標致T88前照燈開發過程中出現LED位置燈無故閃爍的問題，詳細分析了按鍵噪聲產生的機理，以及采取的相關對策。該研究對其他按鍵噪聲課題也具有重要的指導作用。

按鍵噪聲；閃爍；硬件；軟件

按鍵噪聲，即開關在按鍵接觸過程中產生的振動效應。當按鍵閉合和斷開時，由于機械觸點本身的機械彈性效應，導致接觸點的電壓并不是保持恒定，而是出現抖動［1］。根據按鍵不同的機械特性，抖動的時間長短不一。這種抖動產生的直接后果是對輸出電壓產生瞬間的波動，有時甚至產生高頻和高幅的尖峰波，若外界接有其他設備，很可能導致設備啟動甚至燒損。在車輛系統中，鍵盤、按鍵、繼電器等開關設備都會產生不同的按鍵噪聲。為了消除按鍵抖動，并保證系統對鍵盤的一次輸入僅響應一次，通常需要在硬件和軟件上采取不同的措施。一般來說，在項目后期硬件變更周期長、成本高（含EMC重做試驗），而直接更改軟件，則相對簡單實用，因而得到更加廣泛的應用。

1 開關按鍵噪聲去除的硬件和軟件實現方式

1.1 按鍵噪聲產生的機理分析

機械開關的觸點從斷開到閉合，或從閉合到斷開，表面上只經過一次變化，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，從閉合到完全斷開的過程中亦如此［2-3］。圖1簡單描繪了機械開關的動作狀態，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10～40ms。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。

圖1 繼電器開關的動作狀態

按鍵噪聲對整個系統的運行具有很大的破壞作用。由于按鍵之后本身輸出的無規則性，導致外界無法識別出系統是否提供了輸入，從而導致系統誤判。比如，對響應敏感度較高的設備，如LED，當對按鍵噪聲不做任何處理時，其直接后果是在按鍵的一瞬間，LED會得到一個很高的峰值電壓，導致LED比正常狀態更亮，其壽命會大大下降甚至造成LED燒損［4］。因此，盡可能地消除按鍵噪聲，對系統的理想控制具有重要的意義。

1.2 按鍵噪聲去除的基本方法

1.2.1 硬件去噪

通常情況下，硬件去抖動主要采用在開關的輸出端增加濾波電容的方式，通過電容本身的儲電、放電的功能，將開關輸出端在瞬間出現的尖峰波轉化為比較平整、頻率正常的波形。如圖2所示。

由于電容器的容抗會隨著兩端所加的交流電的頻率不同而發生改變，參照公式Z=1／2×3.14×F.C。根據需要來濾除頻率電流，設置不同的容值。這樣就可以把不需要的電流引到大地，從而完成濾波。而對需要的頻率電流，電容會處于通路或阻抗很小的狀態。交流電通過時，是反復充電和放電的過程。電容是并聯的，其中充放電的時間T=R×C。若C越大，充放電時間越長，這樣電壓越接近穩定。由于C越大，只能過濾高頻，所以一般后面再并聯一個小電容，過濾低頻。這樣，既能使電路板本身特有的諧振可以被抑制掉，從而減少噪聲的產生，同時也可以降低電路板邊緣輻射以緩解電磁兼容問題。

當然，關于硬件去噪的方式，目前比較流行的還有通過施密特觸發器以及RS觸發器來實現［5-6］。前者只要保證外界的干擾電壓（開關抖動產生電壓）不超過施密特觸發器的遲滯寬度ΔU值，則輸出的電壓即為恒定值。后者通過信號線的邏輯信號以保證輸出不變。比較先進的方式還有采用電磁帶隙結構和EBG結構，即通過選用不同帶寬的EBG結構來抑制噪聲，該結構被廣泛運用在電路板本身的噪聲抑制中，具有很好的開關噪聲抑制作用。

1.2.2 軟件去抖動

軟件去抖動和一次按鍵的處理，是軟件程序的基本要求［7］。其主要步驟通常是，當程序檢測到有鍵按下時，執行一個延時程序，然后再掃描一次，確認該鍵是否仍然閉合。如果仍然閉合，則可以確認該鍵確實按下，從而可以消除抖動的影響。如果第2次掃描時發現按鍵沒有接觸，軟件將此次按鍵動作視為無效，軟件就不輸出按鍵未成功按下的指令。如圖3所示。

2 標致T88前照燈LED位置燈閃爍的機理分析

標致T88前照燈LED位置燈在前期開發過程中，曾出現閃爍問題。出現閃爍問題的主要工況為：車輛遙控解鎖時；車輛休眠后再開門時；切換位置燈開關時；休眠狀態無任何操作時，上述工況都會出現LED位置燈周期性的無故閃爍。

因第4種工況與繼電器無關，所以，本文僅對前3種情況，在繼電器工作的情況下出現的閃爍進行討論。

標致T88前照燈位置燈電路原理結構如圖4所示。在位置燈的輸入中，存在一個繼電器對位置燈的指令進行控制。而在LED的輸入端口，存在一個復雜的電路對電路系統的輸入波形進行整理，其中電容C1和C2分別對輸入電路的電容進行濾波處理。由于有繼電器這個機械接觸點的存在，使得LED在啟閉的過程中，由于機械件的彈性效應，系統輸出的電壓波形必然發生隨機波動。由于LED啟動的響應時間極短，若電壓的峰值達到LED本身的啟動電壓，LED就會出現點亮，并且其亮度會比正常要亮。這個瞬間的啟動變亮過程，即為閃爍。

圖3 一次按鍵去噪的基本流程圖

圖4 標致T88前照燈位置燈／DRL電路模塊圖

經過整車試驗測量結果，對于上述3種情況的調查表明，在遙控解鎖工況，鎖車后10 min，待汽車進入休眠狀態后，使用遙控鑰匙解鎖，位置燈閃爍的瞬間，示波器捕捉到一個13 V／100 ms的異常輸出電壓，如圖5所示。當汽車休眠后再開門時，待汽車進入休眠狀態后，突然拉開車門，位置燈出現異常閃爍的瞬間，示波器也能捕捉到一個13V／100ms的異常輸出電壓；當休眠狀態無任何操作時，在LED出現異常閃爍的瞬間，示波器也可以捕捉到圖5的黃色圓圈中的信號。由此可知，由于該異常輸出電壓的存在，導致LED出現異常點亮，出現閃爍。

通過分析硬件和軟件的執行規律，當繼電器閉合時，整個電路的波形和軟件執行狀態如圖6所示。

圖5 標致T88前照燈LED閃爍時的波形

圖6 軟件去抖動的作用原理示意圖

由于整車BSI的軟件延時時長一定，根據前面所描述的按鍵去抖動的原理，當閉合繼電器（切換組合開關）的瞬間，LED電路板芯片中軟件開始第1次對繼電器的觸點進行掃描，此后軟件執行延時程序，如果以很快的速度切換LED位置燈（即圖6中t＜t′），當軟件延遲結束時，軟件在第2次對按鍵掃描時就不會檢測到繼電器仍然閉合的信號（即第2次判斷），這樣LED就不會啟動，因而不會出現閃爍問題，即輕微切換不會出現閃爍問題；如果按鍵噪聲結束之前，軟件延時已經結束（即t＞t′），即軟件在第2次對按鍵進行判斷時，軟件所掃描的繼電器的狀態仍然處于閉合或抖動狀態，這時按鍵本身產生一種高頻高幅電壓，LED就會出現閃爍。

在實際情況中，標致T88位置燈閃爍也具有一定的周期性，即每2～3次切換（或通過突然打開車門或解鎖），LED總會出現輕微的閃爍，這說明去耦電容（C1，C2）在濾波過程中，電容具有累積電荷的作用。如果這2個電容的電容值選擇失當，根據公式：T=R× C，當所選電容越大時，電容放電所需的時間也就越長。如果在切換位置燈的過程中，時間很短，電容器就會在每個循環積累電荷（每個循環電容不能將電荷全部排出），當積累到一定程度，即使當繼電器輕微的切換（切換時間極短）時，電容器也會在短時間內排放出大量電荷，使LED啟動而導致閃爍。也就是說，由于電容中電荷的累積導致了LED出現周期性的閃爍。因此，在電路板的設計上，濾波電容的選取對解決閃爍問題也至關重要。

3 解決措施分析

通過以上分析可以看出，BSI軟件延時、繼電器觸點、位置燈電路板之間存在相互協調的關系，才能保證電路不會出現LED閃爍的問題。

3.1 硬件

從硬件上看，由于繼電器本身的彈性變形，使電壓產生波動，就需要在電路板上對硬件進行變更，在不改變電路板布線的前提下，采用優化高低頻電容（C1和C2）的方式來對尖峰波進行濾除。

這種方式盡管可以解決大部分的閃爍問題，但是由于對電路板修改后會造成電路中時變電流的變化，而時變電流是電路產生電場和磁場的根本原因。更改電容值后，所產生的電場和磁場對外界其他物體的影響分析（電磁干擾：EMI），以及外界電磁干擾對該PCB電路板影響（電磁耐受：EMS），都必須重新通過EMC的相關試驗得到驗證評估，因而相應的開發成本也會增加。

3.2 軟件優化

當軟件延時時間t′＜t時，即當軟件延時已經結束，繼電器開關觸點仍然在處于振動狀態，此時必然輸出一個尖峰波，導致LED瞬間變亮；當軟件的延時t′＞t時，即當繼電器開關觸點抖動過程結束時，此時軟件仍在執行延時程序，當開關接觸完好后（無抖動），此時軟件再發出一個繼電器接觸的指令，此時的電壓就會處于一種很平穩的狀態來啟動LED，就不會導致LED閃爍。

通過對T88前照燈LED電路板主芯片的軟件延時進行調查，發現其延時只有50ms，而對于繼電器這種機械件觸點而言，由于材料本身的彈性，導致人無論采取多快的速度來切換開關（繼電器），切換開始到切換結束的時間總是大于50ms。由于繼電器觸點的機械屬性是物質的固有屬性，可以看成是一個恒定的量，要想從軟件角度來解決在切換過程中的閃爍問題，只有將軟件延時加長，使之完全覆蓋機械觸點的整個抖動過程。

事實上，在T88前照燈LED位置燈的閃爍問題的分析中，經過了多輪的軟件優化（容值優化和延時優化，如表1所示）和反復調試驗證，最終確定容值33 μF和軟件延時150ms搭配時能完全覆蓋繼電器觸點的抖動效應，并能解決所有出現的閃爍問題。如表2所示，描述了LED位置燈在軟件延時150ms的工作狀態。

表1 硬件和軟件設計

表2 采用軟件延時150ms后的狀態

從表面上來看，優化軟件只能解決按鍵抖動所產生閃爍問題，因為它只是錯開開關抖動的時刻。但實際上，對于開門和解鎖這2種工況，由于動作的時間很短，當該動作持續時間小于軟件的延時長度時，這2種工況所產生的繼電器抖動也會被軟件避開，因而這個閃爍問題也可以消除。

由于優化PCB軟件的原理是將軟件延時加長，從而使得LED點亮的響應時刻滯后，因而會導致另一種現象：當切換組合開關時，LED會滯后一個時長（根據延時而定）才響應，因而LED點亮時刻響應的靈敏度降低。但是，由于優化系統軟件并沒有改變電路板的布線以及時變電流，因而對電磁兼容等方面的特性影響很小，相關的成本也相對較低，因而獲得廣泛運用。由于該方法更改方便，且大部分情況下不用新增試驗來驗證，因此獲得了很好的運用。

4 結論

本文基于T88前照燈項目，討論了按鍵噪聲在電路設計品質控制中的重要影響和機理。所得出的結論：①對于按鍵噪聲，通過硬件和軟件的優化，可以最大限度地降低其對系統電路的影響。對于去耦電容值的選取以及軟件延時的設置，需要考慮繼電器本身的材料屬性以及整車BSI的狀態。②由于時變電流是否發生變化是衡量一個電路板是否需要完成相關EMC試驗的前提，因此在電路板的后期優化過程中，對硬件的修改需要慎重。從節約成本和周期的角度，優先考慮對軟件優化，然后再考慮對電路板的參數進行適當的變更。

本文基于T88項目，討論了按鍵抖動的基本原理，以及相關的應對措施。按鍵噪聲是開關控制的一個重要課題，了解其原理，對整車的其他電路方面診斷（如對車門鎖的控制等），具有重要的指導意義。

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（編輯 凌波）

Mechanism Research of Button Noise Influence Control on Vehicle LED Lamp

LI Xiang-bing

（Technical Center，Dongfeng Peugeot Citroen Automotive Company Ltd，Wuhan 430050，China）

The noise caused by button push has always posed great interference on input and output of electronic components，which becomes a bottleneck in circuit design.Through analyzing the irregular flash defect on Peugeot 3008 front lamp，the article investigates the noise cause and relevant solutions，which provides valuable reference for other research on button noise.

button push noise；flash；hardware；software

U463.65

A

1003－8639（2017）02－0018－04

2016-08-12；

2016-09-10

李祥兵（1981-），男，湖北宜昌人，工程師，碩士，主要研究方向車燈開發設計。