一种失效后自恢复的电路设计

孙徐佳 刘如平 姚肖勇

摘要：自动驾驶的发展催生了汽车产品功能安全的强制要求。功能安全是在识别故障后采取有效的措施来 尽可能挽回功能，保证驾乘人员的安全。而汽车车灯产品常见的电子电路故障包括接插件虚插、LED 损伤、 电路板温度过高等，传统电路设计中如果出现这些失效，功能将被关闭且要等下一个上电周期才能恢复。 采用一种失效后自恢复的电路设计在产品故障消除后自动将电路恢复至正常工作状态，该方案能更好地保 障产品尽可能处于工作状态，更安全，作为纯硬件电路方案成本低，能有效提高产品的可靠性。

关键词：自恢复；电路；失效

中图分类号：TN710.2文献标识码：A

0 引言

汽车产品的电子电路在工作中可能遇到各种 失效，如 LED 磕碰断路导致熄灭、连接器接触不 良导致产品时好时坏、线束脱落导致产品功能丧 失等。从电子元件本身到环境因素、装配因素和 受外力损伤等都可能导致产品功能丧失，这些常 见的失效是基于对整个系统的保护，在失效时关 闭保护电路可以避免起火、电源烧毁等情况。电 路设计的思路之一是要考虑整个系统的可靠性， 通过诊断故障为保护整个系统的工作而关闭功能， 进而减少安全隐患。但是关闭功能会降低产品用 户体验感，在汽车领域关闭功能本身也与功能安 全的要求相违背，如关闭灯光就可能带来新的安 全隐患 [1]。因此需要寻找更优的解决方案，是否 可以在发生故障后，先诊断故障并关闭功能，避 免系统级的安全问题，再监控故障的实时情况， 如果故障一直存在则维持现状，如果故障消除了就通过电路设计自恢复产品功能。

1 系统总体设计

1.1 目标预设

汽车车灯中常见的问题是内部连接器接触不 良，原本出现故障后灯光会熄灭，电路会锁定，需 要手动重开关灯才能恢复功能，目前可以通过设计 自恢复电路，在同一上电周期内失效后电路自行 恢复点亮 [2]。该上电周期强调整个电路是否需要重 新得电，从应用场景考虑，目前众多电路挂在蓄 电池正极 KL30 上，由电池供电，除非车身控制器 （body control module，BCM）休眠再唤醒，否则不 会有重新得电的机会，所以在一个上电周期内恢复 具有一定意义。

1.2 电路模块方案设计

本设计包含重启开关模块、延时模块和放电模 块，新设计的自恢复电路是属于整个系统电路中的一个模块，整个系统电路除了自恢复电路模块还包 含电源、驱动模块和 LED 负载，如图 1 所示。

1.3 电路原理设计及工作步骤

如图 2 所示，与自恢复电路模块的对应关系 如下：放电模块包含驱动芯片的 FLTS 诊断信号 脚、电阻 R25 和电容 C28；延时模块包含二极管 D24，电阻 R15、R23、R14，电容 C5；重启开关 模块包含驱动芯片的脉冲宽度调制（pulse width modulation，PWM）信号脚、电阻 R1、电容 C2 和 三极管 Q9。

正常情况下，采用 12 V 电源给驱动模块供电， 驱动模块点亮 LED 负载，此时自恢复电路模块没 有收到故障诊断信号，FLTS 脚为低电平，三极管 Q9 为关闭状态，PWM 脚通过电阻 R1 拉高电平， 保持高电平，驱动芯片正常工作，即没有重启信 号，相当于自恢复电路模块此时处于待机状态。

当出现产品失效，如 LED 短路，驱动模块就 会发出故障诊断信号，驱动芯片将 FLTS 脚拉高 至 5 V，该电平通过电阻 R23、R14 限流打开三极 管 Q9，则三极管的集电极和发射极导通，PWM 脚 的电平被拉低至 0 V，芯片自动关闭。驱动芯片关 闭后，FLTS 脚也被拉低至 0 V，同时 5 V 电平通 过电阻 R15 给电容 C5 充电，充电完成后再通过电 阻 R23、R14 放电，且由于二极管 D24 的存在，三 极管基极的电平不会反向放电到 FLTS 脚。目前的 参数配置中的电阻、电容值选择对应充放电时间约 为 26 ms，而随着芯片关闭，FLTS 脚上的 5 V 电平 通过电阻 R25 逐步放电。该案例中 FLTS 脚的阈值 电压为 1.15 V，当 FLTS 脚小于 1.15 V 时则驱动芯 片认为故障已消除，该案例中的电阻阻值选择对应 FLTS 脚的放电时间约为 2 ms。上述取值保证了延 时电路的时间 26 ms 大于放电模块的时间 2 ms，所 以在芯片关闭时，FLTS 脚放电完成。三极管 Q9 基 极放电完成后，三极管 Q9 关闭，电阻 R1 将 PWM 脚拉高至 11.3 V（电池 12 V，扣除防反二极管的0.7 V），芯片自动重启，因为 FLTS 脚已经放电至 1.15 V 以下，即故障已经消除，所以驱动芯片输出 点灯信号给 LED 负载。本文假设此时 LED 负载的 接触不良短路已经修复，则 LED 负载能被正常点 亮，整个过程中没有人为重新接电池的操作，由电 路本身完成了失效后的自恢复。

如果 LED 负载没有在第一个周期解除故障， 则在芯片重启输出点灯信号后还是发现存在失效， 此时 FLTS 会被再次拉高，电路就会重复上述步骤， 直到失效的故障消除，电路完成自恢复。这种依据 失效状态自恢复的电路达到了设计预期，给产品的 安全性和可靠性提供了极大的保障。

2 仿真与实验验证

2.1 仿真验证

在 13.5 V 輸入电压下仿真 300 ms（25℃ 的 环境下），设置并联电阻并通过编程的方式控制电 路在 10 ms 后出现短路故障，监控 FLTS、PWM 和 LED 负极的电压，进而确认电路状态。通过 LTspice 仿真软件 [3] 进行验证，示波器测试结果如 图 3 所示。在 10 ms 时出现故障，LED 串负极的电 压 V（L—）对电源短路，同时驱动芯片检测到故障， 将 FLTS 电压拉高，PWM 电压拉低，而通过自恢 复电路的工作，FLTS 放电后，经过一段延时 PWM电压会得到重新拉高的机会，相当于电路重启，前 几个周期故障仍然存在，从示波器的曲线看 FLTS 不断充放电，之后故障消除，此时 PWM 电压拉高 后电路恢复到正常工作。

2.2 关键参数选型

自恢复电路奏效的关键是对延时时间的控制，要 确保延时重启 PWM 电压时，故障电压信号 FLTS 已 经降低至故障阈值以下，否则重启后电路会继续进 入故障报错状态。而对延时时间的控制主要在于电 容 C5 的取值。通过对极限情况进行多次仿真发现， C5=150 nF 时处于临界点，如果温度为 -40℃，延时 后 FLTS 电压仅为 1.05 V（FLTS 的阈值电压是 1 V）。 采用相同方法对不同电容值进行仿真后得到如图 4 所 示曲线，此次设计的 C5=1 μF，在图中用黑圆点标识。

2.3 极端情况分析

極端情况首先考虑元器件的极限参数，则二极 管 D24 取最小导通电压 0.5 V，三极管 Q9 取最小 放大倍数 250 倍。其他阻容器件电阻考虑 ±10% 的 误差，电容考虑 ±25% 的误差，总共有 11 个元器 件。再考虑 3 个温度（-40℃、25℃、105℃）和 3 个电压（9.7 V、13.5 V、16 V），在 1 个温度、1 个 电压下需仿真 211-1=2047 次，在温度、电压组合条 件下均进行了仿真，结果显示极端情况分析电路均 能达到自恢复的效果。

2.4 实验验证

采用与 2.1 节仿真相似的方式进行实验验证， 通过示波器监控 FLTS、PWM 和 LED 负极的电压， 通过人为制造 LED 短路故障后消除故障的方式来 确认自恢复电路能否正常工作，主要的判断依据包 括：电路是否成功重启和每个重启激活周期时间是 否足够，FLTS 脚电压置为低电平且 PWM 脚电压 置为高电平。对 3 个温度、3 个电压分别进行样件 实测，实际测试了 2 只样件，结果均能达到预期。 图 3 展示了部分实测结果，可见 FLTS 低于阈值且 PWM 高于阈值所需时间为 17.3 ms，小于重启的时 间周期 20.6 ms，且故障消除 L—电压置为低电平后 PWM 顺利抬高，电路正常工作，因而自恢复电路 运行成功。

3 结论

本文设计了一种失效后自恢复的电路，其可在 电路诊断到故障时启动关闭保护机制且在故障消除 时能自恢复正常工作。通过理论计算、电路极端情 况仿真和样件实测，验证了该设计具有可行性和可 靠性。综上，从功能安全角度来看，该方案能更好 地保障产品尽可能处于工作状态，更安全，且作为 纯硬件电路方案成本低，能有效提高产品的可靠性。

参考文献

[1] 张进 . 新时代汽车光源与照明系统的应用与发展 [J]. 光源与照明，2022（5）：51-53.

[2] 杨利君，赵宇 . 汽车车灯技术与造型发展浅析 [J]. 汽 车实用技术，2019（24）：226-228.

[3] 张亚 . LED 驱动电路的设计 [J]. 电子世界，2017 （19）：187-188.