基于开关背光及工作指示灯亮度均匀性影响因素分析

薛现龙

（中国第一汽车股份有限公司技术中心，吉林 长春 130011）

基于开关背光及工作指示灯亮度均匀性影响因素分析

薛现龙

（中国第一汽车股份有限公司技术中心，吉林 长春 130011）

从背光源本身发光性能、LED电路板的布置、LED散热结构、开关按键及工作指示灯导光结构、制造工艺等方面，重点分析对开关背光及工作指示灯亮度均匀性的影响，并提出有效的解决方案。通过实际应用和测试，在一定程度上提高并改善了开关背光及工作指示灯的亮度和均匀性。

按键；亮度均匀性；背光；工作指示灯；LED电路布置；导光结构

1 研究背景

汽车内按键具有背光照明功能，使用户能够在黑暗环境下，准确地找到需要操作的按键位置；开关按键具有工作指示灯功能，便于提醒用户该项功能目前处于激活或者关闭状态。因此，开关按键采用背光照明及工作指示灯技术，几乎在所有的汽车尤其是家用轿车上得到普遍应用。但是，随着人们对汽车发展的需求，用户不仅仅满足于开关按键具有背光及工作指示的功能。其背光及工作指示灯亮度的均匀性及美观性，越来越成为用户评价一辆汽车高档性、做工精细性的重要因素。

在目前来看，很多汽车开关按键存在背光及工作指示灯亮度不足、均匀性较差的状况。而这种状况将影响一辆汽车在用户中的形象。因此，提出采用一种合适的背光源、合理的背光及导光结构、合适的背光及导光材料、合理的电路布置来保证整车开关按键的背光及工作指示灯的亮度均匀性，有着非常重要的意义。

2 研究内容及意义

本文的重点是对在开发及生产过程中，出现的按键背光及工作指示灯亮度不均等诸多影响因素，进行分析和验证，从而得出一种能够满足开关按键及工作指示灯亮度均匀性的合理方案，提高汽车在用户中的形象。

3 光度计量及单位

3.1 发光强度

与测试距离相比，光源的大小可以忽略不计时，把某个点光源所发出的光，通过单位立体角的光通量称为发光强度（luminous intensity），单位是坎德拉（cd）。

3.2 亮度

把单位面积光源的发光强度称为亮度（Luminance），即将从光源面向某方向的发光强度除以在该方向光源面的正投影面积的值，单位是cd/m2。

如某车型开关背光照明定义的亮度是（6±2）cd/m2；工作指示灯亮度为（50±15）cd/m2。

4 开关背光及工作指示灯影响因素

开关按键背光源：一种是传统灯泡，一种是半导体LED。半导体LED由于其环保性、持续点亮时间长、低成本等优点，逐渐取代了传统灯泡，成为汽车行业背光源的首选产品。

4.1 背光源LED本身因素

LED（Light Emitting Diode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电能转化为光能。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附着在一个支架上，是负极；另一端连接电源的正极，整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由2部分组成，一部分是P型半导体，里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，主要是电子。将这2种半导体连接起来，就形成一个“P-N结”[1］。当电流通过导线作用于该晶片时，电子就会被推向P区，在P区电子跟空穴复合，以光子的形式发出能量[2］，如图1所示。光的波长决定光的颜色，由形成P-N结材料决定。

图1 发光原理

LED载流子复合时产生的光子50 %为外向辐射，50 %为内向辐射。经过整个传输过程，LED总的电光转化效率54 %[3］。发光效率LED本身的发光亮度及颜色受其组成材料塑料透镜、半导体芯片、焊接工艺等多种因素的影响，使得不同批次甚至同批次的LED可能出现亮度及颜色不同的现象。如图2所示，实线显示的是同一厂家、同一批次的LED工作电流曲线。在驱动电压3.4 V情况下，同一批LED电流却不尽相同。

图2 驱动电压与电流关系曲线

某车型开关背光选用16颗贴片LED，2颗插针式LED；工作指示灯选用11颗贴片式LED。在选取LED时，可能存在同批次的LED在开关上亮度不均的现象。

4.2 背光源LED的电路布置

背光LED的驱动方式是影响背光亮度均匀性的因素之一。LED的连接有3种主要结构，即串联、并联和混联。

4.2.1 LED串联

LED串联方式的优点是，在整个串联电路中LED电流处处相等。因LED的生产过程存在着批次差异及个体差异的问题，当LED的一致性差别较大时，虽然加在不同的LED两端电压不同，但由于通过每颗LED的电流相同，LED的亮度还是基本一致的。

当某一颗LED因品质不良或其它原因导致短路时，若采用恒压源的驱动方式，那么由于驱动器输出电压不变，分配在剩余的LED两端电压必然将升高，驱动器输出电流将增大，这可能导致余下的所有LED损坏。如采用恒流式LED驱动，当某一颗LED品质不良短路时，由于驱动器输出电流保持不变，此串联电路中余下的所有LED都将正常工作。

当某一颗LED因品质不良或其它故障原因出现开路状态时，串联在一起的LED会全部不亮。解决方法：在每个LED两端并联一个齐纳二极管[4］。当然并联的齐纳二极管击穿电压需要比LED的导通电压高，否则LED就不亮了。这种解决方案会增加额外的功耗和成本。

4.2.2 LED并联

当需要独立调整每一个LED的电流时，会使用并联。并联的优点是，当一个LED开路时，不会对其它LED造成影响。

当某一颗LED因品质不良而断开时，如果采用稳压式LED驱动(例如稳压式开关电源)，驱动器输出电流将减小，而不影响余下所有LED正常工作。如果是采用恒流式LED驱动，由于驱动器输出电流保持不变，分配在余下LED电流将增大，导致损坏所有LED。解决方法：尽量多并联LED。当断开某一颗LED时，分配在余下LED电流不大，不至于影响余下LED正常工作。因此，功率型LED做并联负载时，不宜选用恒流式驱动器。

当某一颗LED因品质不良而短路时，那么所有的LED将不亮。但如果并联LED数量较多，通过短路的LED电流较大，足以将短路的LED烧成断路。

某车型开关工作指示灯驱动线路采用并联电路，见图3。分别调整其串联电阻使得流过每一颗LED电流相近，达到表面亮度均匀的效果。

图3 开关工作指示灯电路

4.2.3 LED混联

在需要使用比较多的LED产品中，将所有LED串联或并联，不但限制着LED的使用量，而且并联LED负载电流较大，驱动器的成本也会大增。

今按《宝真斋法书赞》卷十五《黄鲁直催绣词帖》录黄庭坚行书四行：“前岁迷藏花柳，恰恰如今时候。诸事几时忺，镜中赢得清瘦。生受，生受，更被养娘催绣”。并有按语云：“右山谷先生《催绣词帖》真迹一卷。先生平生语庄，此帖故游戏耳。”岳珂《宝真斋法书赞》颇为严谨，内中涉及多篇黄庭坚书法及其诗文词作等，均极可靠。此帖未言系黄庭坚书写秦观作品，当系自作。因此基本可以断定，此词著作权应属于黄庭坚，嘉靖本不误。

解决方法：采用混联方式。混联形式综合了串联形式和并联形式的各自优点，主要的形式有2种：先串联后并联和先并联后串联。把LED连接成串联/并联组合的形式，可以大幅降低因驱动电压不一致造成的影响。

采用混联方式既保证有一定的可靠性(每串中的LED故障最多只影响本串的正常发光)，又保证与驱动电路的匹配(驱动器输出合适的电压)。整个电路具有结构较为简单、连结方便、效率较高等特点，适用于LED数量多的应用场合。某车型开关背光驱动电路为混联方式，见图4。由于LED驱动电压在（1.8～2.4） V，所以串联的LED数量不多于4颗；否则，整车电压较低时，串联的LED将可能出现同时不能点亮的现象。

图4 开关背光驱动电路

LED每4颗串联，然后再并联。由于按键表面的亮度与LED距离按键表面的高度近似成反比，因此，开关上出现背光亮度不均的原因之一，是4颗串联的LED距离按键表面的高度不尽相同。必须保证4颗串联的LED在电路板上的排布距离按键表面的高度相近，否则透过表面的亮度将会出现不均的现象。

图4中，由于LED7、LED8、LED9、LED20串联，所以LED的本身亮度基本一致。但是由于开关隔光结构及按键结构不同，同一个串联回路的开关按键的表面亮度出现了亮度不等的现象。其中座椅加热开关的亮度尤其偏低，最亮处也只有2.7 cd/m2，而其它3个按键均在4.5 cd/m2以上。

为了使得按键表面亮度均匀一致，将按键LED9单独进行驱动，如图5所示。调节其串联电阻，使得其亮度达到4 cd/m2以上。

图5 更改后电路图

4.3 开关按键及导光体结构

按键及导光体结构是影响亮度及均匀性的又一因素。

4.3.1 按键壳体的结构

某开关按键信标透光区域没有局部处理，包括局部剪薄及局部抛光处理等，将直接影响到LED光线的透过性。光照合格按键与非合格按键背部结构的对比见图6。

图6 开关按键壳体结构

从图6中可以看出合格产品按键信标区域背部表面光洁，局部区域做平面处理且壁厚剪薄。非合格产品背部信标区域没有做任何处理，对LED光线的透过性造成损失。

4.3.2 隔光腔体的结构与信标区域的位置关系

开关隔光体的结构与开关按键信标区域有重合，即一部分腔体结构做在了信标区域内，导致重叠的区域光照直接受到影响，使得开关按键表面出现边缘较暗的现象。

图7中，绿色区域线条为“前风窗”按键隔光结构，黄色区域为信标区域。可以明显看出信标上端与下端已经与开关背部腔体结构重合，导致此处信标线条偏暗，按键顶部仅3.6 cd/m2。测试效果见图8。

图7 按键信标及隔光结构

4.3.3 工作指示灯导光体大小及结构

图8 前风窗开关按键背光亮度曲线

按键工作指示灯是通过导光体将LED光线呈现出来。导光体长度及结构使得导光体表面亮度产生不均匀现象。LED导光体的结构见图9。

测试亮度曲线见图10。指示灯亮度最亮的是19 cd/m2。

图9 导光体结构

图10 AUTO指示灯亮度曲线

将工作指示灯结构长度减短，如图11黄色结构所示。经测试，指示灯的亮度达到51 cd/m2以上。

图11 更改后导光体结构

因为指示灯导光体材料为透明PC，所以材料有一定的透光率。结构长度越长，透射到表面的光线越少。因此，减短导光体长度，可以提高表面亮度。

4.3.4 开关背光及指示灯的散热结构

LED发光电流、发光效率、光输出量都与温度有重要的关系，蓝光、绿光和白光LED的光输出量和P-N结温度的关系曲线见图12。从中看到LED的亮度会随温度的升高而下降。此外，LED温度的升高还会增加功耗，大大降低LED的有效寿命。因此，做好LED背光的散热结构设计非常重要。 方法：可通过每颗LED四角均有涂铜，以利于LED芯片的散热。

图12 LED光输出量与温度的关系曲线

4.4 导光体制造工艺

4.4.1 导光材料添加适量散光剂

工作指示灯表面亮度会出现某点的亮度偏暗或者偏亮。原因之一是导光材料不均，导致内部某点对LED光线产生折射，使得人眼看上去出现局部亮点现象。可以通过添加适量散光剂的形式，改善导光体的透光均匀性。此外需要在导光体表面进行腐蚀纹理花纹，增加漫反射。

发光二极管分有色透明、无色透明、有色散射和无色散射4种类型。工作指示灯最好选择散射型发光二极管。

4.4.2 按键表面信标镭雕干净彻底

按键表面喷漆雷雕，以显示信标的区域范围。雷雕表面漆的彻底性，也是影响按键表面亮度的重要因素。雕刻不彻底，信标上有残余的油漆；雕刻过深，按键表面出现烧蚀，均将直接影响背部LED光线的穿越，导致信标偏暗或者不均匀。

5 结论

通过对开关背光照明及工作指示灯亮度均匀性影响因素的分析，提高并改善了开关在背光及工作指示灯亮度上的均匀性。

开关最终测试曲线见图13和图14，其中图示每一点坐标均代表开关一个按键。开关背光亮度要求（4～8） cd/m2，工作指示灯亮度要求（35～65）cd/m2。

图13 开关背光亮度测试曲线

图14 开关工作指示灯亮度测试曲线

由曲线图可以看出，开关背光和工作指示灯亮度基本趋于设计要求。

在设计开关按键背光及工作指示灯时，应注意以下几点。

1）背光源LED要批量选择，且同一辆车上不要用到两个批次以上的LED。避免因为背光源的发光亮度不同导致按键及指示灯亮度的不均匀性。

2）对于多个开关集成的开关总成，背光源LED优先选择混联式布置电路。串联LED应不多于4颗。尽量选择开关按键表面距离电路板高度基本一致的按键串联。

3）布置LED电路板时考虑LED的散热性结构。

4）保证按键信标在LED的可照范围内。

5）按键信标区域做模具处理，保证信标区域的透光性良好。

6）合理选择工作指示灯导光体结构。

7）指示灯导光体表面做纹理腐蚀，材料添加适当的散光剂，以增加光线的漫反射。

8）信标镭雕彻底，避免有残余漆膜留在按键可视表面。

[1]陈大华，于冰，刘祥吉.浅谈LED光源的特性[J］.中国照明，2006（3）：40-42.

[2]陈华山，刘子强.半导体发光器件及其应用[J］.电工与电子，1994（5）：26-29

[3]俞建峰，顾高浪，陶宏锦.照明产品质量控制与国际认证[M］.北京：人民邮电出版社，2012：10-11.

[4]周志敏，周纪海，纪爱华.LED驱动电路设计与应用[M］.北京：人民邮电出版社，2006：78.

（编辑 张每文）

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

薛现龙（1983-），男，硕士，主要研究方向为电气设计。