一種失效后自恢復的電路設計

孫徐佳 劉如平 姚肖勇

摘要：自動駕駛的發展催生了汽車產品功能安全的強制要求。功能安全是在識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，傳統電路設計中如果出現這些失效，功能將被關閉且要等下一個上電周期才能恢復。 采用一種失效后自恢復的電路設計在產品故障消除后自動將電路恢復至正常工作狀態，該方案能更好地保 障產品盡可能處于工作狀態，更安全，作為純硬件電路方案成本低，能有效提高產品的可靠性。

關鍵詞：自恢復；電路；失效

中圖分類號：TN710.2文獻標識碼：A

0 引言

汽車產品的電子電路在工作中可能遇到各種 失效，如 LED 磕碰斷路導致熄滅、連接器接觸不 良導致產品時好時壞、線束脫落導致產品功能喪 失等。從電子元件本身到環境因素、裝配因素和 受外力損傷等都可能導致產品功能喪失，這些常 見的失效是基于對整個系統的保護，在失效時關 閉保護電路可以避免起火、電源燒毀等情況。電 路設計的思路之一是要考慮整個系統的可靠性， 通過診斷故障為保護整個系統的工作而關閉功能， 進而減少安全隱患。但是關閉功能會降低產品用 戶體驗感，在汽車領域關閉功能本身也與功能安 全的要求相違背，如關閉燈光就可能帶來新的安 全隱患 [1]。因此需要尋找更優的解決方案，是否 可以在發生故障后，先診斷故障并關閉功能，避 免系統級的安全問題，再監控故障的實時情況， 如果故障一直存在則維持現狀，如果故障消除了就通過電路設計自恢復產品功能。

1 系統總體設計

1.1 目標預設

汽車車燈中常見的問題是內部連接器接觸不 良，原本出現故障后燈光會熄滅，電路會鎖定，需 要手動重開關燈才能恢復功能，目前可以通過設計 自恢復電路，在同一上電周期內失效后電路自行 恢復點亮 [2]。該上電周期強調整個電路是否需要重 新得電，從應用場景考慮，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 會有重新得電的機會，所以在一個上電周期內恢復 具有一定意義。

1.2 電路模塊方案設計

本設計包含重啟開關模塊、延時模塊和放電模 塊，新設計的自恢復電路是屬于整個系統電路中的一個模塊，整個系統電路除了自恢復電路模塊還包 含電源、驅動模塊和 LED 負載，如圖 1 所示。

1.3 電路原理設計及工作步驟

如圖 2 所示，與自恢復電路模塊的對應關系 如下：放電模塊包含驅動芯片的 FLTS 診斷信號 腳、電阻 R25 和電容 C28；延時模塊包含二極管 D24，電阻 R15、R23、R14，電容 C5；重啟開關 模塊包含驅動芯片的脈沖寬度調制（pulse width modulation，PWM）信號腳、電阻 R1、電容 C2 和 三極管 Q9。

正常情況下，采用 12 V 電源給驅動模塊供電， 驅動模塊點亮 LED 負載，此時自恢復電路模塊沒 有收到故障診斷信號，FLTS 腳為低電平，三極管 Q9 為關閉狀態，PWM 腳通過電阻 R1 拉高電平， 保持高電平，驅動芯片正常工作，即沒有重啟信 號，相當于自恢復電路模塊此時處于待機狀態。

當出現產品失效，如 LED 短路，驅動模塊就 會發出故障診斷信號，驅動芯片將 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射極導通，PWM 腳 的電平被拉低至 0 V，芯片自動關閉。驅動芯片關 閉后，FLTS 腳也被拉低至 0 V，同時 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反向放電到 FLTS 腳。目前的 參數配置中的電阻、電容值選擇對應充放電時間約 為 26 ms，而隨著芯片關閉，FLTS 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 FLTS 腳小于 1.15 V 時則驅動芯 片認為故障已消除，該案例中的電阻阻值選擇對應 FLTS 腳的放電時間約為 2 ms。上述取值保證了延 時電路的時間 26 ms 大于放電模塊的時間 2 ms，所 以在芯片關閉時，FLTS 腳放電完成。三極管 Q9 基 極放電完成后，三極管 Q9 關閉，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），芯片自動重啟，因為 FLTS 腳已經放電至 1.15 V 以下，即故障已經消除，所以驅動芯片輸出 點燈信號給 LED 負載。本文假設此時 LED 負載的 接觸不良短路已經修復，則 LED 負載能被正常點 亮，整個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。

如果 LED 負載沒有在第一個周期解除故障， 則在芯片重啟輸出點燈信號后還是發現存在失效， 此時 FLTS 會被再次拉高，電路就會重復上述步驟， 直到失效的故障消除，電路完成自恢復。這種依據 失效狀態自恢復的電路達到了設計預期，給產品的 安全性和可靠性提供了極大的保障。

2 仿真與實驗驗證

2.1 仿真驗證

在 13.5 V 輸入電壓下仿真 300 ms（25℃ 的 環境下），設置并聯電阻并通過編程的方式控制電 路在 10 ms 后出現短路故障，監控 FLTS、PWM 和 LED 負極的電壓，進而確認電路狀態。通過 LTspice 仿真軟件 [3] 進行驗證，示波器測試結果如 圖 3 所示。在 10 ms 時出現故障，LED 串負極的電 壓 V（L—）對電源短路，同時驅動芯片檢測到故障， 將 FLTS 電壓拉高，PWM 電壓拉低，而通過自恢 復電路的工作，FLTS 放電后，經過一段延時 PWM電壓會得到重新拉高的機會，相當于電路重啟，前 幾個周期故障仍然存在，從示波器的曲線看 FLTS 不斷充放電，之后故障消除，此時 PWM 電壓拉高 后電路恢復到正常工作。

2.2 關鍵參數選型

自恢復電路奏效的關鍵是對延時時間的控制，要 確保延時重啟 PWM 電壓時，故障電壓信號 FLTS 已 經降低至故障閾值以下，否則重啟后電路會繼續進 入故障報錯狀態。而對延時時間的控制主要在于電 容 C5 的取值。通過對極限情況進行多次仿真發現， C5=150 nF 時處于臨界點，如果溫度為 -40℃，延時 后 FLTS 電壓僅為 1.05 V（FLTS 的閾值電壓是 1 V）。 采用相同方法對不同電容值進行仿真后得到如圖 4 所 示曲線，此次設計的 C5=1 μF，在圖中用黑圓點標識。

2.3 極端情況分析

極端情況首先考慮元器件的極限參數，則二極 管 D24 取最小導通電壓 0.5 V，三極管 Q9 取最小 放大倍數 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 個元器 件。再考慮 3 個溫度（-40℃、25℃、105℃）和 3 個電壓（9.7 V、13.5 V、16 V），在 1 個溫度、1 個 電壓下需仿真 211-1=2047 次，在溫度、電壓組合條 件下均進行了仿真，結果顯示極端情況分析電路均 能達到自恢復的效果。

2.4 實驗驗證

采用與 2.1 節仿真相似的方式進行實驗驗證， 通過示波器監控 FLTS、PWM 和 LED 負極的電壓， 通過人為制造 LED 短路故障后消除故障的方式來 確認自恢復電路能否正常工作，主要的判斷依據包 括：電路是否成功重啟和每個重啟激活周期時間是 否足夠，FLTS 腳電壓置為低電平且 PWM 腳電壓 置為高電平。對 3 個溫度、3 個電壓分別進行樣件 實測，實際測試了 2 只樣件，結果均能達到預期。 圖 3 展示了部分實測結果，可見 FLTS 低于閾值且 PWM 高于閾值所需時間為 17.3 ms，小于重啟的時 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，因而自恢復電路 運行成功。

3 結論

本文設計了一種失效后自恢復的電路，其可在 電路診斷到故障時啟動關閉保護機制且在故障消除 時能自恢復正常工作。通過理論計算、電路極端情 況仿真和樣件實測，驗證了該設計具有可行性和可 靠性。綜上，從功能安全角度來看，該方案能更好 地保障產品盡可能處于工作狀態，更安全，且作為 純硬件電路方案成本低，能有效提高產品的可靠性。

參考文獻

[1] 張進 . 新時代汽車光源與照明系統的應用與發展 [J]. 光源與照明，2022（5）：51-53.

[2] 楊利君，趙宇 . 汽車車燈技術與造型發展淺析 [J]. 汽 車實用技術，2019（24）：226-228.

[3] 張亞 . LED 驅動電路的設計 [J]. 電子世界，2017 （19）：187-188.