基于PWM 原理LED 車燈多功能故障診斷技術設計及研究

李祥兵， 王 坦， 楊偉民， 彭 麗， 趙曉茹， 王春才

（神龍汽車有限公司， 湖北 武漢 430056）

汽車照明和信號功能是車輛之間以及車輛與周圍環境之間交流的重要方式，車燈功能正常與否，對行車安全和交通秩序維護具有重要作用。隨著道路車流量的不斷增加，夜間交通事故發生率也在逐年上升。在車輛行駛前，駕駛員一定要保證各個汽車車燈能夠正常工作。如果關鍵功能如近遠光燈、制動燈、前后轉向燈、尾燈等出現故障，系統不能將故障信息及時反饋給駕駛員并采取應急措施，很可能導致交通事故。在GB4785-2019及以往版本中明確規定，對某些功能，如轉向燈、制動燈等，在設計階段必須滿足系統診斷要求，并在出現故障時，在駕駛員周圍環境（如儀表盤） 能以視覺或聲音或兩者皆有的信號進行提示。在實際車燈設計過程中，對于車燈診斷要求如何設定、如何通過技術方案來滿足要求，特別是隨著LED功能的增多，整車電動化、智能化、網絡化水平的大幅度提升，如何通過更經濟有效的方案來實現功能的診斷，一直是當前行業面臨的難點。本文基于現有電子診斷技術，提出了基于PWM原理的車燈多功能故障診斷實現方法，這種方法相對于總線診斷，成本更低。

1 車燈故障診斷的定義

在汽車照明和信號技術領域，故障是指照明和信號功能在運行過程中出現部分或全部功能喪失而導致性能退化，其某些技術參數不能完全滿足技術要求。

對于傳統的鹵素車燈，燈絲光源只有兩種狀態：正常工作和熄滅。在正常工作時，相關參數均處于正常狀態。在故障狀態，一般為燈絲熔化斷裂導致電路處于斷路狀態，而處于短路的幾率相對較低。在兩種狀態下，電路中的電壓或電流參數具有非常大的差異。因此，對鹵素車燈診斷，只需要檢測斷路狀態的電壓或電流是否滿足診斷電流或電壓要求即可，其電路相對比較簡單。

在LED車燈設計過程中，由于某個特定功能是由多顆LED共同實現的，且LED與LED之間通過一個特殊的拓撲結構進行排列（串聯、并聯或混聯），且LED本身以及驅動也存在短路和斷路兩種情況，這就給LED車燈的診斷增加了難度。

總體來講，車燈的故障主要分為以下3種。

1） 短路這類故障一般是由于車燈內導線連接松動或接觸不良，元器件損壞或者遭遇雷擊放電效應后，導致某個電器元器件損壞引起。在設計階段，一般會通過一些試驗（如短路失火風險分析、液體的意外滲漏試驗） 來判斷電路及電路板的可靠性。

2） 斷路故障由于電壓或電流過高，造成車燈導線或接插器持續發熱，或者因為外力因素（強烈震動環境下），汽車照明信號設備線路斷裂。對于LED車燈，斷路是經常出現的一種情況，也是LED電路設計中必須考慮的因素之一。

3） 漏電故障是由于絕緣損壞或其它原因引起的電流泄漏。車燈由于長時間工作在高溫高濕的環境下，進水風險較高，雖然車燈LED電路板本身沒問題，但由于某些元件漏電（尤其是電容） 或是由于電路板受潮、灰塵太多，會出現漏電現象導致車燈功能損壞。在設計驗證階段，需要有專門的試驗來驗證整個電路驅動裝置是否存在漏電風險。

2 LED車燈故障診斷系統構成及基本原理

車燈的完整故障診斷反饋系統（主要是LED車燈） 一般包括驅動模塊、采樣模塊、診斷模塊、反饋模塊，如圖1所示。驅動模塊一般通過電阻式或線性或晶體管恒流式驅動電路驅動LED燈，并實現相關的控制邏輯和技術要求，是LED驅動的核心。采樣模塊主要用來采集LED串中LED的電壓，并將電壓信號放大后，通過集成運算放大器比較或整理后輸入給后續診斷模塊。診斷模塊對檢測到的LED電壓進行故障判斷，并將故障診斷信號傳遞給反饋模塊；反饋模塊根據故障診斷信號發出反饋信號給驅動模塊，并通過驅動模塊輸出故障信號給車身BSI，從而將相關的故障信號顯示在儀表盤上，提示駕駛員注意，并讓驅動模塊對LED燈進行通電斷電控制。在設計中，一般采用負反饋來保證輸入和輸出的信息更加精準。

圖1 車燈故障診斷控制模塊的構成

在具體的故障診斷電路設計中，首先基于不同的LED電路實現方式，來判斷如何滿足整車對子系統診斷方面的設計要求。在通常情況下，車身控制器對車燈用電單元的需求如下。

1） 車燈工作電壓：該電壓是保證車燈正常工作的基本電壓，一般在8～16V之間，即在該電壓范圍內，車燈必須正常工作（不出現熄滅、閃爍等問題）。

2） 車燈工作電流：該電流是保證車燈正常工作的基本電流，對于LED車燈來說，電流 （主路或分支） 相對較低，故一般設定范圍為0.1～7A；在電流范圍內工作時，要保證所有元器件均滿足相關可靠性要求。

3） 漏電電流：即在電路處于斷開狀態時電路中的電流。對于燈絲光源，該電流為0A；對于LED車燈電路，由于電路中包含電容等儲能元件，因此在電路斷電后，電容等元器件仍然可以給系統供電，導致LED出現閃爍等問題。

4） 最小診斷電流：對于任何連接方式的電路［電阻式、線性式 （DC-DC電路） 或芯片式電路（可編程芯片電路）］，如果采用最小電流診斷法，所設計的電路必須滿足車身BSI規定的最小電流要求。該最小電流要求，實際上代表了低電平診斷必須具備的要求。

車燈診斷電路與LED驅動密切相關。為保證所設計的整個LED電路結構簡單可靠，且成本低廉，就需要保證診斷電路與LED驅動基本匹配。車燈LED驅動電路根據其結構的復雜性，可以劃分為如下3類，見表1。

表1 車燈LED驅動分類

在汽車照明方面，涉及到需要診斷的功能一般是近遠光功能。由于近遠光功能在夜間行駛時是非常重要的安全零件，因此其功能衰減 （如部分LED的損壞導致光學性能下降） 和功能失效（單側或雙側的功能失效） 需要進行系統診斷，并將診斷信息通過整車電腦反饋，并在儀表盤上顯示，給駕駛員以提示的作用。對照明功能的診斷主要分為兩部分：對光源本身的診斷和對LED驅動的診斷。系統在判斷過程中，一般采用開路診斷方式來實現，即通過模組的實際輸出電壓/電流是否滿足近遠光功能的理論輸出電壓/電流來判斷是否出現故障。

在信號領域，對于駕駛安全起著決定作用的信號燈如轉向燈、制動燈、倒車燈功能，其診斷的原理與照明裝置基本相同。

3 車燈LED故障診斷方案設計與故障消除方法

綜合來看，汽車照明和信號功能的診斷根據表1呈現的不同電路結構，可以通過如下的設計方案來實現診斷。

3.1 基于PWM診斷的原理框圖

PWM一般用于LED調光技術。采用PWM （脈寬調制）來實現診斷，即通過設定不同的占空比來表示不同的電路故障。占空比，即電路被接通的時間占整個電路工作周期的百分比。對于單一功能，可以直接用三極管的通斷來表示電路的故障。采用低電平，即LED故障對應的PWM占空比為0%，采用高電平診斷時，即LED故障對應的占空比為100%。

對于集成多個功能的車燈（如轉向燈、位置燈和制動燈三功能集成），如果采用上述方式來實現診斷，電路結構較為復雜。通常情況下，可以通過設定不同的占空比來表示不同功能的故障，并共用一根診斷線路來實現所有功能的開路故障診斷，這樣可以大大減少診斷線束的數量。如圖2所示。

3.2 通信模塊的設計

車燈內部LED驅動與LED電路板之間的通信模塊設計如圖3所示。為了提高抗干擾能力和增加傳送距離，該電路中所設計的接口信號和電壓標準不是TTL信號。在該電路中，規定高電平“1”的信號電壓范圍是-15～-3V，低電平“0”信號電壓的范圍為3～15V，這種高低電壓采用相反的電壓表示，至少有6V的電壓差，可以極大地提高數據傳輸的可靠性。

圖2 多功能車燈與整車連接圖

對于單向的串行數據傳輸，可以選擇MC1489或SN75189等芯片來實現EIA電平到TTL的電平轉換，也可以選擇MC1488或者SN75188芯片來實現TTL電平到EIA電平的轉換。這些芯片只能實現單方向的電平轉換，并且使用時需要提供±12V的電源電壓，這對于5V供電的單片機來說，不是很方便。

圖3 車燈內部驅動與LED電路板之間的通信模塊設計

發射器各個功能的占空比與對應的故障在表2中進行了描述。需要說明的是，如果僅僅只有轉向燈功能，它的占空比分別是40%和20%，其他功能的占空比不使用。對前部照明，第2個功能可以是位置燈、日行燈和近光功能；對于尾部信號功能，第2個功能可以是制動燈、位置燈或倒車燈等。

表2 發射器各功能占空比的定義關系

接收器的占空比與故障之間的定義如表3所示。由于發射器與接收器之間存在一定的物理距離，因此接收器的占空比相對于發射器會存在一定的延時，且由于線路上存在干擾信號，為了保證發射器的信號能被完全接收，占空比一般是以發射器的占空比作為中值，來定義一個區間。如當所有功能均OK時，發射器的占空比定義為40%±2%，而接收器的范圍為35%～45%。另外，當占空比為0%時，確定對搭鐵短路；當占空比為100%時，確定對電源短路或開路。

采用上述設定方式來進行多功能診斷時，占空比需要滿足以下要求。

表3 接收器各功能占空比定義關系

1） PWM的控制精度，即PWM的工作頻率。由于電路的工作是有固定頻率的，要實現精確的占空比控制，所設計的電路必須要有恒定的工作頻率。工作頻率確定后，電路的周期也就確定下來。由于占空比控制的電路接通率是建立在恒定的工作周期上的，如果電子控制模塊的周期不能保持恒定，則占空比的控制也將毫無意義。

2） 工作電壓：工作電壓是驅動加在執行器上的恒定電壓。根據工作元件的阻抗而定，用示波器可以清楚地看到恒定不變的工作電壓。

3） 脈沖寬度：指在一個工作周期中，電路被接通或工作的真實時間。在汽車電子控制系統中，脈沖寬度多為毫秒級。

4） 對于不同功能的LED故障占空比的設置，其占空比的數字或范圍相互之間不能靠得太近，否則就會因相互干擾導致判斷不準。

3.3 轉向燈的故障診斷實現方式

采用上述方式進行設計之后，發現轉向燈在功能正常（閃爍過程中） 的情況下，仍然會輸出一個故障占空比。具體表現的現象為：在整車上將組合開關切換到轉向燈時，轉向燈會出現快頻閃爍，且組合儀表顯示屏會出現故障報錯現象。

在通常情況下，在轉向燈通斷電來實現正常閃爍的過程中，通電和斷電過程均會通過掃描程序來實現點亮和熄滅過程的確認。經過分析發現，在轉向燈斷電過程中，軟件不存在掃描功能，這與設計過程不符合。轉向燈的故障診斷實現方式如圖4所示。

圖4 轉向燈的電源線與故障線診斷方式

在轉向燈電源線及故障線診斷中，轉向燈電源初始化為低電平，然后每5ms檢查一次轉向燈的電平，如果連續3次檢測到電平不同，則根據檢測結果來更新當前轉向燈的電源水平。在故障檢測過程中，轉向燈故障初始值為無故障，然后每5ms檢查一次轉向燈電平的故障率，如果連續6次檢測到轉向燈故障，則根據檢查結果更新轉向燈故障狀態。

3.4 轉向燈故障消除

根據上述故障現象，對轉向燈故障報警機制優化如下：轉向燈故障狀態初始為無故障，將掃描轉向燈故障狀態的時間優化為10ms。檢查轉向燈電源線是否上電，然后檢查是否保持3次轉向燈的故障狀態，最后向主節點反饋轉向燈是否存在故障。在本設計中，由于轉向燈只是一個從節點，因此它只能向主節點反饋信息，而不能自身進行控制。轉向燈故障報警機制如圖5所示。

圖5 轉向燈故障報警機制圖

4 總結及展望

基于車燈故障診斷實質以及LED驅動不同特點，本項目提出了具體的多功能故障診斷設計方案，并結合轉向燈的故障報錯問題提出了優化方案。通過對轉向燈故障診斷機制的優化，解決了轉向燈正常閃爍過程中，故障診斷線路出現報錯的問題（即出現故障對應的占空比）。通過在試驗臺架以及在整車上的驗證，發現系統無報錯問題，基本解決了轉向燈的異常報錯問題，這種診斷實現思路，為后續其他項目的設計思路提供了借鑒。

在實際設計中，對這種設計思路的應用，需要基于整車BSI對車身用電設備的具體定義，來對診斷電路的結構以及相關的元器件選擇進行優化，以保證診斷方面的效果以及成本均達到最優狀態。

隨著車燈未來照明新技術（如矩陣式前照燈、激光前照燈等） 以及車燈在無人駕駛車輛上實現“車/環境、車/人”之間相互交流的功能，車燈對自身故障的識別、判斷和顯示將變得更加重要。本項目從原理上對PWM占空比實現診斷的過程進行了梳理，在后續的研究中，將以總線的研究為重點，對更高速總線在車燈故障診斷中的應用進一步研究。