车灯常见故障及其诊断技术

金鉴方博士：车规AEC-Q102认证需要一个强大的LED失效分析实验室作基础支撑

随着车速的不断提高，交通流量越来越大，夜晚出现事故的概率逐年增大。车灯作为汽车与汽车及周边环境通信的工具，对于确保夜间驾驶安全具有十分重要的意义。在夜间驾驶过程中，若具备了某一项功能，例如远光灯，近光灯，停车灯，转向灯或者尾灯等都不能够正常运行，那么车厢里的司机就不能够很容易地感知到故障，继而就会出现车祸。所以确保夜间行车安全的首要任务就是要确保车灯各项功能能够正常运行并在车灯出现故障时第一时间通知司机。事实上，GB4785-2019及其以前的版本均明确表示，针对转向灯和停车灯的作用，有必要在酝酿时考虑增加车灯诊断方法，若发生故障时，司机周围环境可给予视觉或者音频提示，告知驾驶员主动采取措施。

图1 仪表盘提示检查右前驻车灯

但在LED技术不断发展的过程中，LED灯具诊断中具体参数的确定和如何经济有效地进行等问题始终困扰着各工程师。基于这一背景，通过分析一般诊断方法，针对传统诊断方法给出修改意见或者实际电路，提出能够满足各种功能需求的综合方法。

LED车灯常见故障

对传统卤素灯来说，光源仅有on光源和off光源两种状态。在正常运行过程中，各参数（电流、电压、温度）一直处于良好的状态；故障发生后，灯丝被熔断，电路被切断。一般情况下短路发生概率比较小。这两种情况（开路和短路）的电流或电压的参数相差很大。所以通过检测电路中电压或者电流就能轻松检测出电路中是否存在故障。

但是，对LED灯而言，因为每个部分是通过多个LED来实现的，所以其中电路连接方式也有所不同（串联的，并联的或者混合的），因此无论是LED还是LED的驱动器，都存在两种故障（开路或短路）的可能。另外，因为车灯在高温、高湿环境中工作，渗水或者进水的危险较大，甚至电路可靠性极高时，都会出现漏电现象。

LED驱动器的组成

诊断一般有两种方法：LED光源诊断法和LED驱动器诊断法。驱动诊断通常是通过开路进行的，也就是通过评估实际输出（电流/电压）与理论值（电流/电压）的一致性来确定车灯性能的正常与否。通常情况下，诊断电路和LED驱动器之间存在较强的相关性。为确保LED电路既简单可靠又经济有效，LED驱动电路与故障电路必须很好地配合。LED驱动器一般采用以下三种方式实现。

表1 LED驱动器分类

诊断模块的组成

故障诊断反馈系统由驱动、数据采集、诊断、反馈等模块组成。驱动模块通常由电阻或线性电路或恒流驱动电路来实现，并能实现控制逻辑和技术要求，是LED驱动电路的核心。采集模块主要负责LED电压信息的采集，通过对信号的放大，为诊断模块提供输入。诊断模块负责检测电压的故障评估，并将故障信息传递给反馈系统。反馈模块根据诊断模块的信息传递给BSI（车身控制模块）。BSI此信息传输到仪表盘，仪表盘将警告驾驶员发生故障的位置。

图2 典型LED车灯诊断驱动模块结构

在诊断系统的设计中，首先要根据不同的LED电路形式，评价如何满足诊断要求。通常，BSI对相关参数的要求如下：

1.车灯工作电压：保证车灯正常工作的基本电压，一般在8～16V之间，即车灯必须在该范围内正常工作（无异常关断、无闪烁）。

2.工作电流：保证灯具正常工作的基本电流。LED灯得电流要求相对较低，因此电流范围通常定义在0.1A到7A之间；当汽车灯在规定电流下工作时，需要考虑所有功能灯的可靠性。

3. 漏电流：电路开路时的电流。对于LED的前照灯，由于储能元件如电容器的存在，即使电路断开，储能元件也能为LED提供电流，导致工作过程中产生车灯的闪光现象。

4.最小诊断电流：如果故障诊断是通过最小电流检测的方式实现，则电路需要考虑车身系统的最小电流要求。

LED故障诊断思路的构想:

基于LED驱动的分类，一般有基于最小电流、基于开关电路、基于比较器的反馈电路等诊断方法。本文在分析的基础上，提出了用PWM进行诊断和通过总线结构进行诊断的方法。

基于最小电流诊断的思路：在恒流电路中，LED的故障通常会导致开路或个别LED开关断开。开路时，电路电压升高，触发过压保护，产生故障信号；但如果只是个别LED开关断开，电路的电流变化不大，此时，可以在电路中串联一个光耦合器。如果正常工作的LED能够满足亮度性能要求，则个别LED开关断开不会导致电路关断，此时车灯可正常使用；如果不能，则整个电路关断，触发故障报警。

图3 基于最小电流的诊断电路

基于开关电路诊断的思路：通常情况下要求，转向灯工作正常时显示高电平，工作异常时显示低电平；以图4为例，LED在正常运行状态下Q3基极为高电平，Q3接通后Q2基极为低电平，Q2闭合；此时反馈电压为高电平；反之，为低电平；由于汽车电子产品的工作电压通常在9-16V之间，当工作电压保持在9V时，无论LED是否工作，Q3的基极都会处于低电平，这样Q3一直都是“关”着的，此时低电评反馈信息可能导致系统误报，所以构思期间需要监测个别LED，保证工作电压维持9V不误报。

图4 基于开关电路的诊断电路

基于比较器的反馈诊断电路：该电路利用放大器和比较器比较采集电压和基准电压的大小，控制终端晶体管的打开/关断，从而影响反馈电压的高低；其优势是，即使输入电压低于9V，该电路也可以用于故障诊断（图5）。

图5 基于比较器的反馈诊断电路

用PWM进行诊断：占空比是一个周期内工作时间与整个时间的百分比，PWM诊断是一种通过设置不同占空比实现的电路；对于具有多种功能（如转向灯、位置灯、行车灯等）的灯具，如果将上述3种电路作为首选方案，整个电路不可避免地会变得复杂；而PWM诊断将不同的占空比设置为代表一种特定的故障，则只用一条导线就可以用于所有功能的故障诊断。这样可以大大减少导线数量，从而简化整个系统。

应用此法进行诊断电路设计，构思时应注意几点要求。

1、也就是LED在工作过程中的频率问题。

由于电子器件具有固有频率，为了准确控制占空比要求电路以恒定频率运行。

2、电路工作电压取决于电路中电阻值的大小，用示波器可以找到稳定的数值。

3、就是电路在工作一工作周期中的真实工作时间。汽车电子系统脉冲宽度一般以ms为单位。

4、对于不同的功能检测，占空比不能太接近，以避免相互干扰。

图6 多功能灯具集成模块诊断与BSI

通过总线诊断（以LIN通信网络为例）：

LIN是一种基于SCI或UART接口的低成本串行通信网络。它基于主从结构，减轻了导线的重量和成本。它也是一种传输速率为1-20kbps的低层通信总线协议。LIN由一个主控模块和多个次级模块组成。主控模块负责处理不同模块的电平信息，次级模块发送和接收数据，因此，一个LIN模块可以实现车灯的通讯和故障检测功能。

图7 LIN模块通信结构