基于開關背光及工作指示燈亮度均勻性影響因素分析

薛現(xiàn)龍

（中國第一汽車股份有限公司技術中心，吉林 長春 130011）

基于開關背光及工作指示燈亮度均勻性影響因素分析

薛現(xiàn)龍

（中國第一汽車股份有限公司技術中心，吉林 長春 130011）

從背光源本身發(fā)光性能、LED電路板的布置、LED散熱結構、開關按鍵及工作指示燈導光結構、制造工藝等方面，重點分析對開關背光及工作指示燈亮度均勻性的影響，并提出有效的解決方案。通過實際應用和測試，在一定程度上提高并改善了開關背光及工作指示燈的亮度和均勻性。

按鍵；亮度均勻性；背光；工作指示燈；LED電路布置；導光結構

1 研究背景

汽車內(nèi)按鍵具有背光照明功能，使用戶能夠在黑暗環(huán)境下，準確地找到需要操作的按鍵位置；開關按鍵具有工作指示燈功能，便于提醒用戶該項功能目前處于激活或者關閉狀態(tài)。因此，開關按鍵采用背光照明及工作指示燈技術，幾乎在所有的汽車尤其是家用轎車上得到普遍應用。但是，隨著人們對汽車發(fā)展的需求，用戶不僅僅滿足于開關按鍵具有背光及工作指示的功能。其背光及工作指示燈亮度的均勻性及美觀性，越來越成為用戶評價一輛汽車高檔性、做工精細性的重要因素。

在目前來看，很多汽車開關按鍵存在背光及工作指示燈亮度不足、均勻性較差的狀況。而這種狀況將影響一輛汽車在用戶中的形象。因此，提出采用一種合適的背光源、合理的背光及導光結構、合適的背光及導光材料、合理的電路布置來保證整車開關按鍵的背光及工作指示燈的亮度均勻性，有著非常重要的意義。

2 研究內(nèi)容及意義

本文的重點是對在開發(fā)及生產(chǎn)過程中，出現(xiàn)的按鍵背光及工作指示燈亮度不均等諸多影響因素，進行分析和驗證，從而得出一種能夠滿足開關按鍵及工作指示燈亮度均勻性的合理方案，提高汽車在用戶中的形象。

3 光度計量及單位

3.1 發(fā)光強度

與測試距離相比，光源的大小可以忽略不計時，把某個點光源所發(fā)出的光，通過單位立體角的光通量稱為發(fā)光強度（luminous intensity），單位是坎德拉（cd）。

3.2 亮度

把單位面積光源的發(fā)光強度稱為亮度（Luminance），即將從光源面向某方向的發(fā)光強度除以在該方向光源面的正投影面積的值，單位是cd/m2。

如某車型開關背光照明定義的亮度是（6±2）cd/m2；工作指示燈亮度為（50±15）cd/m2。

4 開關背光及工作指示燈影響因素

開關按鍵背光源：一種是傳統(tǒng)燈泡，一種是半導體LED。半導體LED由于其環(huán)保性、持續(xù)點亮時間長、低成本等優(yōu)點，逐漸取代了傳統(tǒng)燈泡，成為汽車行業(yè)背光源的首選產(chǎn)品。

4.1 背光源LED本身因素

LED（Light Emitting Diode），發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導體器件，它可以直接把電能轉化為光能。LED的心臟是一個半導體的晶片，晶片的一端附著在一個支架上，是負極；另一端連接電源的正極，整個晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。半導體晶片由2部分組成，一部分是P型半導體，里面空穴占主導地位，另一端是N型半導體，主要是電子。將這2種半導體連接起來，就形成一個“P-N結”[1］。當電流通過導線作用于該晶片時，電子就會被推向P區(qū)，在P區(qū)電子跟空穴復合，以光子的形式發(fā)出能量[2］，如圖1所示。光的波長決定光的顏色，由形成P-N結材料決定。

圖1 發(fā)光原理

LED載流子復合時產(chǎn)生的光子50 %為外向輻射，50 %為內(nèi)向輻射。經(jīng)過整個傳輸過程，LED總的電光轉化效率54 %[3］。發(fā)光效率LED本身的發(fā)光亮度及顏色受其組成材料塑料透鏡、半導體芯片、焊接工藝等多種因素的影響，使得不同批次甚至同批次的LED可能出現(xiàn)亮度及顏色不同的現(xiàn)象。如圖2所示，實線顯示的是同一廠家、同一批次的LED工作電流曲線。在驅動電壓3.4 V情況下，同一批LED電流卻不盡相同。

圖2 驅動電壓與電流關系曲線

某車型開關背光選用16顆貼片LED，2顆插針式LED；工作指示燈選用11顆貼片式LED。在選取LED時，可能存在同批次的LED在開關上亮度不均的現(xiàn)象。

4.2 背光源LED的電路布置

背光LED的驅動方式是影響背光亮度均勻性的因素之一。LED的連接有3種主要結構，即串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)。

4.2.1 LED串聯(lián)

LED串聯(lián)方式的優(yōu)點是，在整個串聯(lián)電路中LED電流處處相等。因LED的生產(chǎn)過程存在著批次差異及個體差異的問題，當LED的一致性差別較大時，雖然加在不同的LED兩端電壓不同，但由于通過每顆LED的電流相同，LED的亮度還是基本一致的。

當某一顆LED因品質不良或其它原因導致短路時，若采用恒壓源的驅動方式，那么由于驅動器輸出電壓不變，分配在剩余的LED兩端電壓必然將升高，驅動器輸出電流將增大，這可能導致余下的所有LED損壞。如采用恒流式LED驅動，當某一顆LED品質不良短路時，由于驅動器輸出電流保持不變，此串聯(lián)電路中余下的所有LED都將正常工作。

當某一顆LED因品質不良或其它故障原因出現(xiàn)開路狀態(tài)時，串聯(lián)在一起的LED會全部不亮。解決方法：在每個LED兩端并聯(lián)一個齊納二極管[4］。當然并聯(lián)的齊納二極管擊穿電壓需要比LED的導通電壓高，否則LED就不亮了。這種解決方案會增加額外的功耗和成本。

4.2.2 LED并聯(lián)

當需要獨立調整每一個LED的電流時，會使用并聯(lián)。并聯(lián)的優(yōu)點是，當一個LED開路時，不會對其它LED造成影響。

當某一顆LED因品質不良而斷開時，如果采用穩(wěn)壓式LED驅動(例如穩(wěn)壓式開關電源)，驅動器輸出電流將減小，而不影響余下所有LED正常工作。如果是采用恒流式LED驅動，由于驅動器輸出電流保持不變，分配在余下LED電流將增大，導致?lián)p壞所有LED。解決方法：盡量多并聯(lián)LED。當斷開某一顆LED時，分配在余下LED電流不大，不至于影響余下LED正常工作。因此，功率型LED做并聯(lián)負載時，不宜選用恒流式驅動器。

當某一顆LED因品質不良而短路時，那么所有的LED將不亮。但如果并聯(lián)LED數(shù)量較多，通過短路的LED電流較大，足以將短路的LED燒成斷路。

某車型開關工作指示燈驅動線路采用并聯(lián)電路，見圖3。分別調整其串聯(lián)電阻使得流過每一顆LED電流相近，達到表面亮度均勻的效果。

圖3 開關工作指示燈電路

4.2.3 LED混聯(lián)

在需要使用比較多的LED產(chǎn)品中，將所有LED串聯(lián)或并聯(lián)，不但限制著LED的使用量，而且并聯(lián)LED負載電流較大，驅動器的成本也會大增。

今按《寶真齋法書贊》卷十五《黃魯直催繡詞帖》錄黃庭堅行書四行：“前歲迷藏花柳，恰恰如今時候。諸事幾時忺，鏡中贏得清瘦。生受，生受，更被養(yǎng)娘催繡”。并有按語云：“右山谷先生《催繡詞帖》真跡一卷。先生平生語莊，此帖故游戲耳?！痹犁妗秾氄纨S法書贊》頗為嚴謹，內(nèi)中涉及多篇黃庭堅書法及其詩文詞作等，均極可靠。此帖未言系黃庭堅書寫秦觀作品，當系自作。因此基本可以斷定，此詞著作權應屬于黃庭堅，嘉靖本不誤。

解決方法：采用混聯(lián)方式?；炻?lián)形式綜合了串聯(lián)形式和并聯(lián)形式的各自優(yōu)點，主要的形式有2種：先串聯(lián)后并聯(lián)和先并聯(lián)后串聯(lián)。把LED連接成串聯(lián)/并聯(lián)組合的形式，可以大幅降低因驅動電壓不一致造成的影響。

采用混聯(lián)方式既保證有一定的可靠性(每串中的LED故障最多只影響本串的正常發(fā)光)，又保證與驅動電路的匹配(驅動器輸出合適的電壓)。整個電路具有結構較為簡單、連結方便、效率較高等特點，適用于LED數(shù)量多的應用場合。某車型開關背光驅動電路為混聯(lián)方式，見圖4。由于LED驅動電壓在（1.8～2.4） V，所以串聯(lián)的LED數(shù)量不多于4顆；否則，整車電壓較低時，串聯(lián)的LED將可能出現(xiàn)同時不能點亮的現(xiàn)象。

圖4 開關背光驅動電路

LED每4顆串聯(lián)，然后再并聯(lián)。由于按鍵表面的亮度與LED距離按鍵表面的高度近似成反比，因此，開關上出現(xiàn)背光亮度不均的原因之一，是4顆串聯(lián)的LED距離按鍵表面的高度不盡相同。必須保證4顆串聯(lián)的LED在電路板上的排布距離按鍵表面的高度相近，否則透過表面的亮度將會出現(xiàn)不均的現(xiàn)象。

圖4中，由于LED7、LED8、LED9、LED20串聯(lián)，所以LED的本身亮度基本一致。但是由于開關隔光結構及按鍵結構不同，同一個串聯(lián)回路的開關按鍵的表面亮度出現(xiàn)了亮度不等的現(xiàn)象。其中座椅加熱開關的亮度尤其偏低，最亮處也只有2.7 cd/m2，而其它3個按鍵均在4.5 cd/m2以上。

為了使得按鍵表面亮度均勻一致，將按鍵LED9單獨進行驅動，如圖5所示。調節(jié)其串聯(lián)電阻，使得其亮度達到4 cd/m2以上。

圖5 更改后電路圖

4.3 開關按鍵及導光體結構

按鍵及導光體結構是影響亮度及均勻性的又一因素。

4.3.1 按鍵殼體的結構

某開關按鍵信標透光區(qū)域沒有局部處理，包括局部剪薄及局部拋光處理等，將直接影響到LED光線的透過性。光照合格按鍵與非合格按鍵背部結構的對比見圖6。

圖6 開關按鍵殼體結構

從圖6中可以看出合格產(chǎn)品按鍵信標區(qū)域背部表面光潔，局部區(qū)域做平面處理且壁厚剪薄。非合格產(chǎn)品背部信標區(qū)域沒有做任何處理，對LED光線的透過性造成損失。

4.3.2 隔光腔體的結構與信標區(qū)域的位置關系

開關隔光體的結構與開關按鍵信標區(qū)域有重合，即一部分腔體結構做在了信標區(qū)域內(nèi)，導致重疊的區(qū)域光照直接受到影響，使得開關按鍵表面出現(xiàn)邊緣較暗的現(xiàn)象。

圖7中，綠色區(qū)域線條為“前風窗”按鍵隔光結構，黃色區(qū)域為信標區(qū)域。可以明顯看出信標上端與下端已經(jīng)與開關背部腔體結構重合，導致此處信標線條偏暗，按鍵頂部僅3.6 cd/m2。測試效果見圖8。

圖7 按鍵信標及隔光結構

4.3.3 工作指示燈導光體大小及結構

圖8 前風窗開關按鍵背光亮度曲線

按鍵工作指示燈是通過導光體將LED光線呈現(xiàn)出來。導光體長度及結構使得導光體表面亮度產(chǎn)生不均勻現(xiàn)象。LED導光體的結構見圖9。

測試亮度曲線見圖10。指示燈亮度最亮的是19 cd/m2。

圖9 導光體結構

圖10 AUTO指示燈亮度曲線

將工作指示燈結構長度減短，如圖11黃色結構所示。經(jīng)測試，指示燈的亮度達到51 cd/m2以上。

圖11 更改后導光體結構

因為指示燈導光體材料為透明PC，所以材料有一定的透光率。結構長度越長，透射到表面的光線越少。因此，減短導光體長度，可以提高表面亮度。

4.3.4 開關背光及指示燈的散熱結構

LED發(fā)光電流、發(fā)光效率、光輸出量都與溫度有重要的關系，藍光、綠光和白光LED的光輸出量和P-N結溫度的關系曲線見圖12。從中看到LED的亮度會隨溫度的升高而下降。此外，LED溫度的升高還會增加功耗，大大降低LED的有效壽命。因此，做好LED背光的散熱結構設計非常重要。 方法：可通過每顆LED四角均有涂銅，以利于LED芯片的散熱。

圖12 LED光輸出量與溫度的關系曲線

4.4 導光體制造工藝

4.4.1 導光材料添加適量散光劑

工作指示燈表面亮度會出現(xiàn)某點的亮度偏暗或者偏亮。原因之一是導光材料不均，導致內(nèi)部某點對LED光線產(chǎn)生折射，使得人眼看上去出現(xiàn)局部亮點現(xiàn)象?？梢酝ㄟ^添加適量散光劑的形式，改善導光體的透光均勻性。此外需要在導光體表面進行腐蝕紋理花紋，增加漫反射。

發(fā)光二極管分有色透明、無色透明、有色散射和無色散射4種類型。工作指示燈最好選擇散射型發(fā)光二極管。

4.4.2 按鍵表面信標鐳雕干凈徹底

按鍵表面噴漆雷雕，以顯示信標的區(qū)域范圍。雷雕表面漆的徹底性，也是影響按鍵表面亮度的重要因素。雕刻不徹底，信標上有殘余的油漆；雕刻過深，按鍵表面出現(xiàn)燒蝕，均將直接影響背部LED光線的穿越，導致信標偏暗或者不均勻。

5 結論

通過對開關背光照明及工作指示燈亮度均勻性影響因素的分析，提高并改善了開關在背光及工作指示燈亮度上的均勻性。

開關最終測試曲線見圖13和圖14，其中圖示每一點坐標均代表開關一個按鍵。開關背光亮度要求（4～8） cd/m2，工作指示燈亮度要求（35～65）cd/m2。

圖13 開關背光亮度測試曲線

圖14 開關工作指示燈亮度測試曲線

由曲線圖可以看出，開關背光和工作指示燈亮度基本趨于設計要求。

在設計開關按鍵背光及工作指示燈時，應注意以下幾點。

1）背光源LED要批量選擇，且同一輛車上不要用到兩個批次以上的LED。避免因為背光源的發(fā)光亮度不同導致按鍵及指示燈亮度的不均勻性。

2）對于多個開關集成的開關總成，背光源LED優(yōu)先選擇混聯(lián)式布置電路。串聯(lián)LED應不多于4顆。盡量選擇開關按鍵表面距離電路板高度基本一致的按鍵串聯(lián)。

3）布置LED電路板時考慮LED的散熱性結構。

4）保證按鍵信標在LED的可照范圍內(nèi)。

5）按鍵信標區(qū)域做模具處理，保證信標區(qū)域的透光性良好。

6）合理選擇工作指示燈導光體結構。

7）指示燈導光體表面做紋理腐蝕，材料添加適當?shù)纳⒐鈩栽黾庸饩€的漫反射。

8）信標鐳雕徹底，避免有殘余漆膜留在按鍵可視表面。

[1]陳大華，于冰，劉祥吉.淺談LED光源的特性[J］.中國照明，2006（3）：40-42.

[2]陳華山，劉子強.半導體發(fā)光器件及其應用[J］.電工與電子，1994（5）：26-29

[3]俞建峰，顧高浪，陶宏錦.照明產(chǎn)品質量控制與國際認證[M］.北京：人民郵電出版社，2012：10-11.

[4]周志敏，周紀海，紀愛華.LED驅動電路設計與應用[M］.北京：人民郵電出版社，2006：78.

（編輯 張每文）

Brightness Uniformity Influencing Factor Analysis of AUTO Switch Lights and Backlights

XUE Xian-long
(China FAW Corporation R&D Centre，Changchun 130011，China)

This article mainly analyses the brightness uniformity influencing factors from the aspects of lighting performance，LED circuit layout，LED radiator structure，light guide structure，fabrication technology，and then proposes some effective solutions. Through the practical application and testing，the brightness uniformity of switch lights and backlights could be improved to a certain extent.

bottom； brightness uniformity； backlight； indicator light； LED circuit board layout； light guide structure

U463.652

A

1003-8639（2017）03-0033-05

2016-09-06

薛現(xiàn)龍（1983-），男，碩士，主要研究方向為電氣設計。