1、中国科技期刊数据库 工业 A 66 灯控电源一体化技术在 LED 路灯上的应用探讨 陈玉辉 熊 专 王青平 曾凡军 何艳玲 中节能晶和科技有限公司，江西 南昌 330000 摘要：摘要：随着电子技术的发展，系统集成度不断的提升，工作频率也越来越高，不可避免会伴随着电磁干扰和温升问题的出现，灯控电源一体化作为一种新型的城市基础照明应用，对 EMI 和热设计的研究和治理显得尤为重要，这也是决定产品可靠性的重要因素，本文通过对比一体化和独立式智慧照明系统的区别和优缺点，阐述了灯控电源一体化目前面临的技术难题和参考建议。关键词：关键词：电磁干扰；温升；一体化；智慧照明 中图分类号：中图分类号：TU11
2、3 0 引言 随着物联网技术和照明技术的不断发展，照明需求也变得多元化，不仅仅只是满足于正常的亮灯需求，所以 LED 路灯的智能化控制也变的越来越重要，智慧照明作为传统灯具与新兴物联网技术的创新应用，与管理平台相结合，实现对 LED 路灯的远程开关、监测、亮度调节和精细化管理，让产品更加符合市场需求和国家节能减排政策，提高产品的附加值，智慧照明技术的应用也将引领着照明产业的变革，为智慧城市照明增添绿色、环保、低碳的光景。1 智慧照明发展现状与前景 当前我国城市发展规模急剧扩张，面临能源短缺、自然环境恶化等问题，对城市可持续发展、城市生态环境、城市管理等诸多方面提出了严峻的挑战。而城市道路照明作
3、为城市公共设施的重要组成部分，对完善城市功能+、改善城市环境、推动城市经济社会发展起着重大的积极作用。目前城市路灯照明大致可分为两大类，传统路灯照明和智慧路灯照明。传统路灯照明采用简单的有线电路控制，其安装困难，维护成本高，耗电量大等缺点；智慧路灯照明大多采用无线通信控制，基于物联网管理平台，实现对路灯的可视化管控，达到绿色照明的目的。在大力推广智慧城市的背景下，人们对城市道路照明的需求越来越高，节能化、数字化以及智慧化成为道路照明建设的重要方向，智慧照明在城市照明的发展中扮演着重要角色，从最初的传统照明发展到有线技术实现对灯光的定时控制，再从早期无线技术智能化到目前蜂窝式物联网的智慧照明，照
4、明智能化建设与管理对城市可持续发展建设的具有重要意义，智慧照明也将成为城市管理和发展的重要工具，实现城市照明设备故障自动告警、免人工巡检、亮灯自动化等功能，最终会替代传统路灯照明，为人们提供更方便、更简单、更智能的公共照明服务。随着智慧城市建设的加速推进以及物联网、云计算等新一代信息技术的广泛应用，未来发展前景也将越来越广阔，将迎来快速发展机遇。随着目前城市快节奏的发展，高效率、快响应是道路照明必不可少的保障，然而目前大多数控制设备是安装于路灯内部，一旦出现故障，需要特殊作业车辆进行维修，不仅耗费时间长，而且需要封闭道路，对城市交通有一定的影响，所以实际应用中将易损设备安装于灯杆底部检修门是保
5、障照明及时性、有效性的重要措施。2 智慧照明系统分类与优缺点 智慧照明是通过物联网、云计算、移动互联网等技术的集成应用，将传统照明设备与智能控制结合起来，接入统一的管理平台，通过动态调节、实时监控、逻辑控制，实现对路灯的远程智能化控制和管理，不仅使城镇设施更加智能、服务更加便捷、管理更加精细，真正按需照明，高效节能，而且也是响应国家实现碳达峰、碳中和的政策号召，助力绿色可持续发展的重要举措。目前智能化应用层出不穷，智慧路灯照明控制系统也方案百出。以无线通信智慧照明为例，作为一种新型城市照明应用，目前市面上产品应用构造可分为两中国科技期刊数据库 工业 A 67 种，一种为驱动电源与单灯控制器相互
6、独立分开的控制系统，另一种为驱动电源与单灯控制器集成的灯控电源一体化控制系统，而且两种控制系统实际应用中都存在各自的优缺点，在不同领域和应用场景中相互补充、相互渗透。2.1 独立式系统 如图 1 所示，独立式系统是目前最为广泛的一种应用，主要由驱动电源、单灯控制器、LED 路灯组成，由单灯控制器输入端连接市电，输出端连接驱动电源，单灯控制器通过无线网络接收管理平台发出的调控指令，输出数字或模拟调光信号连接驱动电源的调光端，实现对 LED 路灯照明亮度的控制，达到高效节能、智能化管理的目的。优点：生产方面，单灯控制器可成为单一通用物料来源，能够与不同型号规格驱动电源相匹配，方便生产备料，适用于规
7、模化生产。施工方面，单灯控制器与驱动电源相互独立，驱动电源参数、型号可按需求自由配置，互不干涉，匹配选择性多，且独立系统相对安装方式灵活，可变性强，驱动电源和单灯控制器可自由安装于灯体内、灯杆检修门内或控制柜中，应用场景适用范围广。运维方面，单灯控制器与驱动电源有独自的防护系统，相互隔离，如外部传导雷或其他因素导致其中一个损坏，不会连锁效应影响到另一台设备的功能，只需更换损坏的设备即可，维修材料成本低。缺点：施工方面，若将单灯控制器和驱动电源均需安装在灯杆检修门内，因连接线较多，则易出现漏接、错接等情况，所以施工量大难度相对比较复杂，最重要一点对检测口内部有一定的空间尺寸要求，所标大多数灯杆未
8、必满足要求。成本方面，驱动电源和单灯控制器为独立功能设备，均需要各自的 EMI 和防雷等电路结构的重复，使整体制造成本较高。图 1 独立式控制系统 2.2 一体化系统 如图 2 所示，灯控电源一体化系统是基于传统 LED驱动电源技术上融入无线通信处理电路、电参计量电路、控制电路和各种软件算法对驱动电源电路进行数据采集、监测和功能调控，利用通信技术构建一体化管理服务平台对数据整合和信息处理，精准地管理路灯的运行状态，实现对 LED 路灯的开关、调光和管理等功能，达到节能减排的目的。优点：一体化系统中共用部分功能模块电路，如防浪涌电路，减少了元器件用量，有效的降低了成本，且整体尺寸也相应缩小不少，
9、能够较好地解决空间受限安装的问题。若将一体化设备放置灯杆检修门内，则接线简洁，安装方便，降低了施工难度，能够很好解决独立系统的缺点问题，且后期运维如出现故障，无需排查控制器还是驱动电源故障原因，统一更换灯控电源一体化设备即可，故障处理更快捷，维护更简便，运维成本更低。缺点：由于灯控电源一体化集成，结构更为复杂，技术难度更大，各元器件和功能模块相互牵制和相互作用、相互影响，故障点会更多，此外一体化集成与整体温升是对立存在，更多的耗散器件之间的邻近加热，可能导致其他器件的工作温度超出额定值要求，而温升又是可靠性的重要影响因素之一，同等条件下，失效概率会更高。图 2 灯控电源一体化控制系统 3 灯控
10、电源一体化技术难点及解决方案 随着技术的不断迭代更新，半导体技术的快速发展，LED 技术也越来越成熟，实际应用中 LED 路灯的光源模组故障率基本可以忽略，目前智慧照明不良一般由单灯控制器或驱动电源故障引起，为维护方便，LED路灯运维更多的是倾向于单灯控制器和驱动电源安装于灯杆底部，而独立式控制系统受检修口空间限制，智中国科技期刊数据库 工业 A 68 慧照明设备向集成化、一体化、小型化方向发展将成为趋势，不仅能降低成本，而且装配、维护更加方便简单，未来发展前景也将越来越广阔。但在设备集成化越来越高，体积越来越小的同时，内部电磁干扰的优化设计、温升的优化设计将成为实现灯控电源一体化应用于LED
11、 路灯所面临的重大难题。电磁干扰：电磁干扰是指干扰源通过电磁感应、耦合或传导对其他电路产生的干扰信号，干扰可能会对降低电路的性能，甚至使其停止工作，且电子线路中只要有电场或磁场存在,就会产生电磁干扰，然而灯控电源一体化系统电路相对布局密度大，空间距离小，使得空间内电磁场强度比较大，而元件一建距离很近又使寄生耦合参数变大，如未优化好，将影响整个系统的性能，因此抑制相互间的电磁干扰变得十分重要，对空间布局、电磁兼容、电路设计等方面也提出了更高要求。在驱动电源中，由于高频变压器的漏电感和分布电容以及开关器件的非理想工作状态，在高频开或关时，在较短的过度时间内，快速的电流、电压变化会引起高次谐波振荡，
12、产生强烈的谐波干扰和尖峰干扰，该干扰通过漏感和分布电容向空间辐射出去或传入内部其他电路中，从而会引起信号畸变、失真等信号完整性问题。电磁干扰是设备工作过程中产生的电磁波通过特殊路径传入其他电路，从而造成干扰，因此抑制电磁干扰方法可以从干扰源、耦合路径、敏感设备三个方面优化，对于灯控电源一体化而言，受空间结构限制，可通过采用合理的 PCB 布局设计、屏蔽等方法改善电磁干扰问题。PCB 布局设计：由于 PCB 板上的集成度和布线密度比较高，设计不当就会产生电磁干扰，宜采用环路面积尽可能小原则，根据电路的功能，将数字电路、模拟电路与电源供电电路分开布局，高频电路和低频电路合理分开，走线短而粗，减小环
13、路阻抗，根据干扰电场的分布情况将敏感线路放在干扰较弱的地方，从而抑制电磁干扰的产生。屏蔽方法：电磁屏蔽是利用屏蔽体的电磁感应现象，吸收和反射干扰磁场达到屏蔽目的，对于驱动电源来说，高频变压器中初、次级线圈间存在分布电容，在线圈间增加一层屏蔽并接地，为杂散噪声提供一个低阻抗回路，可以有效抑制电磁干扰，所以屏蔽不仅可以防止电磁干扰的向外发射，而且能防止受到外界电磁干扰的影响，有效的屏蔽对抑制电磁干扰起着重要作用。温升优化：驱动电源是一种电能转换装置，内部功率器件工作过程中会消耗部分能量，而这些能量以热量的形式释放来，导致设备内部温度升高，灯控电源一体化应用更会表现得突出，温度又影响设备可靠性的主要
14、因素之一，如何控制发热量的设计和将热源产生的热量散出去，使温升控制在允许范围内，保证设备的可靠性将成为灯控电源一体化应用的难点。智慧照明中通信模块作为通信媒介，用于连接网络的硬件设备，然而目前大部分的工业级通信模块最高工作温度为 85，高温环温下对通信电路的性能和可靠性会产生负面影响，内部温升过高会直接影响元器件的性能，一些特定的应用场景更可能会直接导致设备的失效，从而影响设备正常运行，所以对可靠性热设计提出更高要求，高温下的稳定性应用也成为一个更大的挑战。而传热研究主要包括发热源内部热优化设计和到环境的散热技术，技术上可以从降低发热量、加强散热或器件耐温特性等方面进行优化。降低发热量：选用更
15、优的控制方式和技术，利用高频软开关技术减小开关管的开通和关断损耗,结合同步整流技术，采用内阻极低的 MOS 管替代二极管，减小导通损耗，选用结电容低的开关管，减小开关时间，提高开关速度，降低开关损耗，有效的降低发热量。加强散热：利用热传导技术，增加发热源的散热器面积，提高散热能力，选用热阻更低的导热材料，将热量均衡发散出去，降低设备整体温升。耐温特性：受温度影响比较大的器件选用车规级或者军工级，提高产品整体的工作温度范围，保障产品的质量和可靠性。4 结束语 电磁干扰和温升问题是相互牵制，相互影响的关系，屏蔽的电磁波会以热量形式消耗，增加发热量；而温升问题中提高开关速度又会产生更大的尖峰电压和尖
16、峰电流，引起更大的电磁干扰，而且目前提出的解决方案都对成本有不同程度的影响，对于实际应用来说，灯控电源一体化应用于 LED 路灯将成为一种趋势，其设计的可靠性高低，不仅需从元件、结构、工艺等方面去优化改善，还需通过各种测试和不断调整参数以完善设计，达到各参数点平衡。解决电磁干扰和温升问题中国科技期刊数据库 工业 A 69 是一项复杂的技术任务，不存在万能的解决方法，需要不断探索、分析和试验，寻求出更加有效的解决方法，进一步提高灯控电源一体化应用的可靠性。参考文献 1温军燕,刘海浪,崔学玲等.ZigBee 智控电源在山东沂源县路灯改造项目中的应用 J.照明工程学报,2020,31(01):131-135.2李志阳,卢光义,陈育智等.一款基于物联网技术的智能照明驱动设计J.电子制作,2023,31(12):7-10,21.3崔晓,曾光,熊宇等.开关电源电磁干扰的成因及对策J.中国新技术新产品,2021(14):45-48.4肖铁.开关电源热设计浅析 J.信息记录材料,2019,20(06):246-247.5周喜荣.通信电源可靠性设计研究C/湖北省通信学会,武汉通信学会.武汉市首届学术年会通信学会2004 年学术年会论文集,2004:225-227.作者简介：作者简介：陈玉辉（1980），男，福建仙游人，汉族，大专，专家级电子工程师，研究方向为电子信息、物网联技术综合应用研究。
