汽车LED灯具闪烁中按键噪声控制机理研究

李祥兵

（神龙汽车有限公司技术中心，湖北 武汉 430050）

汽车LED灯具闪烁中按键噪声控制机理研究

李祥兵

（神龙汽车有限公司技术中心，湖北 武汉 430050）

一直以来，电路中由于按键噪声对电器元件的输入、输出存在很大干扰，怎样消除按键噪声，成为电路设计中的一大难题。本文借助东风标致T88前照灯开发过程中出现LED位置灯无故闪烁的问题，详细分析了按键噪声产生的机理，以及采取的相关对策。该研究对其他按键噪声课题也具有重要的指导作用。

按键噪声；闪烁；硬件；软件

按键噪声，即开关在按键接触过程中产生的振动效应。当按键闭合和断开时，由于机械触点本身的机械弹性效应，导致接触点的电压并不是保持恒定，而是出现抖动［1］。根据按键不同的机械特性，抖动的时间长短不一。这种抖动产生的直接后果是对输出电压产生瞬间的波动，有时甚至产生高频和高幅的尖峰波，若外界接有其他设备，很可能导致设备启动甚至烧损。在车辆系统中，键盘、按键、继电器等开关设备都会产生不同的按键噪声。为了消除按键抖动，并保证系统对键盘的一次输入仅响应一次，通常需要在硬件和软件上采取不同的措施。一般来说，在项目后期硬件变更周期长、成本高（含EMC重做试验），而直接更改软件，则相对简单实用，因而得到更加广泛的应用。

1 开关按键噪声去除的硬件和软件实现方式

1.1 按键噪声产生的机理分析

机械开关的触点从断开到闭合，或从闭合到断开，表面上只经过一次变化，实际上，开关的触点在此过程中将会发生抖动。换句话说，从断开到稳定闭合的过程中，开关要经过若干次的接通和断开，从闭合到完全断开的过程中亦如此［2-3］。图1简单描绘了机械开关的动作状态，在电平发生变化时，其前后都有无数个小脉冲，其持续的时间根据按键触点的材料不同而不同。对通用继电器而言，一般认为抖动持续时间为10～40ms。尽管这种变化很难用肉眼和简单的仪表测出，但是用计数器或示波器则可以准确地测出机械开关动作的波形。

图1 继电器开关的动作状态

按键噪声对整个系统的运行具有很大的破坏作用。由于按键之后本身输出的无规则性，导致外界无法识别出系统是否提供了输入，从而导致系统误判。比如，对响应敏感度较高的设备，如LED，当对按键噪声不做任何处理时，其直接后果是在按键的一瞬间，LED会得到一个很高的峰值电压，导致LED比正常状态更亮，其寿命会大大下降甚至造成LED烧损［4］。因此，尽可能地消除按键噪声，对系统的理想控制具有重要的意义。

1.2 按键噪声去除的基本方法

1.2.1 硬件去噪

通常情况下，硬件去抖动主要采用在开关的输出端增加滤波电容的方式，通过电容本身的储电、放电的功能，将开关输出端在瞬间出现的尖峰波转化为比较平整、频率正常的波形。如图2所示。

由于电容器的容抗会随着两端所加的交流电的频率不同而发生改变，参照公式Z=1／2×3.14×F.C。根据需要来滤除频率电流，设置不同的容值。这样就可以把不需要的电流引到大地，从而完成滤波。而对需要的频率电流，电容会处于通路或阻抗很小的状态。交流电通过时，是反复充电和放电的过程。电容是并联的，其中充放电的时间T=R×C。若C越大，充放电时间越长，这样电压越接近稳定。由于C越大，只能过滤高频，所以一般后面再并联一个小电容，过滤低频。这样，既能使电路板本身特有的谐振可以被抑制掉，从而减少噪声的产生，同时也可以降低电路板边缘辐射以缓解电磁兼容问题。

当然，关于硬件去噪的方式，目前比较流行的还有通过施密特触发器以及RS触发器来实现［5-6］。前者只要保证外界的干扰电压（开关抖动产生电压）不超过施密特触发器的迟滞宽度ΔU值，则输出的电压即为恒定值。后者通过信号线的逻辑信号以保证输出不变。比较先进的方式还有采用电磁带隙结构和EBG结构，即通过选用不同带宽的EBG结构来抑制噪声，该结构被广泛运用在电路板本身的噪声抑制中，具有很好的开关噪声抑制作用。

1.2.2 软件去抖动

软件去抖动和一次按键的处理，是软件程序的基本要求［7］。其主要步骤通常是，当程序检测到有键按下时，执行一个延时程序，然后再扫描一次，确认该键是否仍然闭合。如果仍然闭合，则可以确认该键确实按下，从而可以消除抖动的影响。如果第2次扫描时发现按键没有接触，软件将此次按键动作视为无效，软件就不输出按键未成功按下的指令。如图3所示。

2 标致T88前照灯LED位置灯闪烁的机理分析

标致T88前照灯LED位置灯在前期开发过程中，曾出现闪烁问题。出现闪烁问题的主要工况为：车辆遥控解锁时；车辆休眠后再开门时；切换位置灯开关时；休眠状态无任何操作时，上述工况都会出现LED位置灯周期性的无故闪烁。

因第4种工况与继电器无关，所以，本文仅对前3种情况，在继电器工作的情况下出现的闪烁进行讨论。

标致T88前照灯位置灯电路原理结构如图4所示。在位置灯的输入中，存在一个继电器对位置灯的指令进行控制。而在LED的输入端口，存在一个复杂的电路对电路系统的输入波形进行整理，其中电容C1和C2分别对输入电路的电容进行滤波处理。由于有继电器这个机械接触点的存在，使得LED在启闭的过程中，由于机械件的弹性效应，系统输出的电压波形必然发生随机波动。由于LED启动的响应时间极短，若电压的峰值达到LED本身的启动电压，LED就会出现点亮，并且其亮度会比正常要亮。这个瞬间的启动变亮过程，即为闪烁。

图3 一次按键去噪的基本流程图

图4 标致T88前照灯位置灯／DRL电路模块图

经过整车试验测量结果，对于上述3种情况的调查表明，在遥控解锁工况，锁车后10 min，待汽车进入休眠状态后，使用遥控钥匙解锁，位置灯闪烁的瞬间，示波器捕捉到一个13 V／100 ms的异常输出电压，如图5所示。当汽车休眠后再开门时，待汽车进入休眠状态后，突然拉开车门，位置灯出现异常闪烁的瞬间，示波器也能捕捉到一个13V／100ms的异常输出电压；当休眠状态无任何操作时，在LED出现异常闪烁的瞬间，示波器也可以捕捉到图5的黄色圆圈中的信号。由此可知，由于该异常输出电压的存在，导致LED出现异常点亮，出现闪烁。

通过分析硬件和软件的执行规律，当继电器闭合时，整个电路的波形和软件执行状态如图6所示。

图5 标致T88前照灯LED闪烁时的波形

图6 软件去抖动的作用原理示意图

由于整车BSI的软件延时时长一定，根据前面所描述的按键去抖动的原理，当闭合继电器（切换组合开关）的瞬间，LED电路板芯片中软件开始第1次对继电器的触点进行扫描，此后软件执行延时程序，如果以很快的速度切换LED位置灯（即图6中t＜t′），当软件延迟结束时，软件在第2次对按键扫描时就不会检测到继电器仍然闭合的信号（即第2次判断），这样LED就不会启动，因而不会出现闪烁问题，即轻微切换不会出现闪烁问题；如果按键噪声结束之前，软件延时已经结束（即t＞t′），即软件在第2次对按键进行判断时，软件所扫描的继电器的状态仍然处于闭合或抖动状态，这时按键本身产生一种高频高幅电压，LED就会出现闪烁。

在实际情况中，标致T88位置灯闪烁也具有一定的周期性，即每2～3次切换（或通过突然打开车门或解锁），LED总会出现轻微的闪烁，这说明去耦电容（C1，C2）在滤波过程中，电容具有累积电荷的作用。如果这2个电容的电容值选择失当，根据公式：T=R× C，当所选电容越大时，电容放电所需的时间也就越长。如果在切换位置灯的过程中，时间很短，电容器就会在每个循环积累电荷（每个循环电容不能将电荷全部排出），当积累到一定程度，即使当继电器轻微的切换（切换时间极短）时，电容器也会在短时间内排放出大量电荷，使LED启动而导致闪烁。也就是说，由于电容中电荷的累积导致了LED出现周期性的闪烁。因此，在电路板的设计上，滤波电容的选取对解决闪烁问题也至关重要。

3 解决措施分析

通过以上分析可以看出，BSI软件延时、继电器触点、位置灯电路板之间存在相互协调的关系，才能保证电路不会出现LED闪烁的问题。

3.1 硬件

从硬件上看，由于继电器本身的弹性变形，使电压产生波动，就需要在电路板上对硬件进行变更，在不改变电路板布线的前提下，采用优化高低频电容（C1和C2）的方式来对尖峰波进行滤除。

这种方式尽管可以解决大部分的闪烁问题，但是由于对电路板修改后会造成电路中时变电流的变化，而时变电流是电路产生电场和磁场的根本原因。更改电容值后，所产生的电场和磁场对外界其他物体的影响分析（电磁干扰：EMI），以及外界电磁干扰对该PCB电路板影响（电磁耐受：EMS），都必须重新通过EMC的相关试验得到验证评估，因而相应的开发成本也会增加。

3.2 软件优化

当软件延时时间t′＜t时，即当软件延时已经结束，继电器开关触点仍然在处于振动状态，此时必然输出一个尖峰波，导致LED瞬间变亮；当软件的延时t′＞t时，即当继电器开关触点抖动过程结束时，此时软件仍在执行延时程序，当开关接触完好后（无抖动），此时软件再发出一个继电器接触的指令，此时的电压就会处于一种很平稳的状态来启动LED，就不会导致LED闪烁。

通过对T88前照灯LED电路板主芯片的软件延时进行调查，发现其延时只有50ms，而对于继电器这种机械件触点而言，由于材料本身的弹性，导致人无论采取多快的速度来切换开关（继电器），切换开始到切换结束的时间总是大于50ms。由于继电器触点的机械属性是物质的固有属性，可以看成是一个恒定的量，要想从软件角度来解决在切换过程中的闪烁问题，只有将软件延时加长，使之完全覆盖机械触点的整个抖动过程。

事实上，在T88前照灯LED位置灯的闪烁问题的分析中，经过了多轮的软件优化（容值优化和延时优化，如表1所示）和反复调试验证，最终确定容值33 μF和软件延时150ms搭配时能完全覆盖继电器触点的抖动效应，并能解决所有出现的闪烁问题。如表2所示，描述了LED位置灯在软件延时150ms的工作状态。

表1 硬件和软件设计

表2 采用软件延时150ms后的状态

从表面上来看，优化软件只能解决按键抖动所产生闪烁问题，因为它只是错开开关抖动的时刻。但实际上，对于开门和解锁这2种工况，由于动作的时间很短，当该动作持续时间小于软件的延时长度时，这2种工况所产生的继电器抖动也会被软件避开，因而这个闪烁问题也可以消除。

由于优化PCB软件的原理是将软件延时加长，从而使得LED点亮的响应时刻滞后，因而会导致另一种现象：当切换组合开关时，LED会滞后一个时长（根据延时而定）才响应，因而LED点亮时刻响应的灵敏度降低。但是，由于优化系统软件并没有改变电路板的布线以及时变电流，因而对电磁兼容等方面的特性影响很小，相关的成本也相对较低，因而获得广泛运用。由于该方法更改方便，且大部分情况下不用新增试验来验证，因此获得了很好的运用。

4 结论

本文基于T88前照灯项目，讨论了按键噪声在电路设计品质控制中的重要影响和机理。所得出的结论：①对于按键噪声，通过硬件和软件的优化，可以最大限度地降低其对系统电路的影响。对于去耦电容值的选取以及软件延时的设置，需要考虑继电器本身的材料属性以及整车BSI的状态。②由于时变电流是否发生变化是衡量一个电路板是否需要完成相关EMC试验的前提，因此在电路板的后期优化过程中，对硬件的修改需要慎重。从节约成本和周期的角度，优先考虑对软件优化，然后再考虑对电路板的参数进行适当的变更。

本文基于T88项目，讨论了按键抖动的基本原理，以及相关的应对措施。按键噪声是开关控制的一个重要课题，了解其原理，对整车的其他电路方面诊断（如对车门锁的控制等），具有重要的指导意义。

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［2］郭雁林，路宏敏，李明儒，等.超宽带抑制同步开关噪声的新型电磁带隙结构［J］.吉林大学学报，2011，29（5）：419-423.

［3］嵇海旭，梁秀娟.机电一体化接口设计中开关抖动的处理［J］.机电工程技术，2012，（4）：59-61.

［4］李若娴.光电检测电路噪声分析与噪声处理研究［J］.产业与科技论坛，2016，15（13）：43-44.

［5］漆黎明.电子线路的噪声抑制研究［J］.电子制作，2016（8）：17-17.

［6］L Draetta，L Centemeri.Specifications D`environment des Equipements Electriques et Electroniques Caracteristiques Electriques［J］.New Phytologist，2011，153（2）：307-315.

［7］李祥兵，肖合林.基于Matlab的小波阈值折衷去噪算法研究［J］.电脑开发及运用，2009（2）：4-6.

（编辑 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，工程师，硕士，主要研究方向车灯开发设计。