UCC28019A LED照明應(yīng)用負載動態(tài)性能優(yōu)化解決方案

摘要

用于高功率PWM調(diào)光LED街道照明的90Vac到305Vac寬輸入范圍應(yīng)用越來越多，而UCC28019A控制器非常適合于這種應(yīng)用。但是，輸出負載PWM調(diào)光帶來的PFC電感噪聲問題，可能是主要問題。本文中，我們將基于小信號模型分析這種現(xiàn)象的根本原因，并提出解決方案。為了驗證這種建議解決方案的有效性，我們使用UCC28019A平均模型并利用實驗來進行檢驗。經(jīng)證明，實驗結(jié)果與分析結(jié)果和仿真結(jié)果非常吻合。

關(guān)鍵詞：

UCC28019A， LED照明，APFC，平均模型，負載動態(tài)，仿真，噪聲問題

1、 引言

CCM工作的平均電流控制是最為典型的一種控制方案，其廣泛用于高功率APFC轉(zhuǎn)換器，例如：基于UC3854的轉(zhuǎn)換器等。相比峰值電流控制，它擁有許多優(yōu)勢，例如：無需外部補償斜率、更高的檢查電流信號噪聲抑制度以及更低的輸入電流THD。但是，在芯片內(nèi)部使用乘法器的傳統(tǒng)CCM控制方案，讓外部電流設(shè)計變得復(fù)雜。最近，使用1-D控制模型的新型CCM(一種8引腳解決方案)，例如：TI UCC28019A控制器等，成為廣大工程師們的首選。

UCC28019A控制器利用開關(guān)式轉(zhuǎn)換器的脈沖和非線性特點，實現(xiàn)對整流電壓或者電流平均值的即時控制。設(shè)計這種控制方案的目的是，提供比其它PFC控制器更快的動態(tài)負載響應(yīng)和更好的輸入擾動抑制。

在實際工程中，大多數(shù)工程師都對寬輸入范圍UCC28019A控制器的高PF值以及無輸出過沖導(dǎo)通升壓的優(yōu)異性能印象深刻。這個優(yōu)點讓UCC28019A比傳統(tǒng)BCM PFC控制器更加適合于這種應(yīng)用。特別是在高功率PWM調(diào)光LED街道照明的90到300Vac寬輸入范圍應(yīng)用越來越多的情況下，尤其如此。但是，當使用動態(tài)響應(yīng)時，其獨特的環(huán)路特性會引起可見噪聲問題。

鑒于上述問題，本文的目標是為你介紹一種能夠改善這種動態(tài)性能的合適解決方案。首先，第2小節(jié)詳細介紹了這個問題。為了研究清楚其原因，第3小節(jié)對電流環(huán)路小信號進行了分析;基于此，詳細說明了其根本原因，并提出一種正確的解決方案。為了對這種解決方案進行完整的驗證，我們還使用相應(yīng)的UCC28019A平均模型，在第4小節(jié)對實驗測試和結(jié)果進行驗證。最后，結(jié)合實際工程應(yīng)用，文章概括了這種解決方案的一些設(shè)計技巧。

2、 UCC28019A負載動態(tài)可見噪聲描述

下列兩種情況可能會出現(xiàn)動態(tài)噪聲問題：

l 未對環(huán)路進行優(yōu)化時負載上升情況(參見圖1)，這時PFC峰值電感電流即刻增加，從而導(dǎo)致鐵氧體感應(yīng)器飽和。

圖1 使PFC電感飽和的負載上升情況

l 圖2顯示了OVP運行期間未控制環(huán)路時的負載下降工作情況。在這一過程中，無規(guī)律頻率引起PFC高峰值電感電流，從而導(dǎo)致可見噪聲。

圖2導(dǎo)致PFC電感飽和的負載下降

關(guān)于LED—就戶外應(yīng)用而言，這種現(xiàn)象受到抑制，原因是后期PWM負載調(diào)光要求。

3、 基于UCC28019A工作原理的根本原因分析

小信號建模是研究轉(zhuǎn)換器控制環(huán)路穩(wěn)定性的最實用方法。本小節(jié)重點討論UCC28019A內(nèi)部電流環(huán)路的主小信號傳遞函數(shù)，因為電壓環(huán)路電壓擾動下的電感電流響應(yīng)是我們的主要研究目標。

3.1 根據(jù)UCC28019A負載上升期間Vcomp變化對PFC電感電流噪聲進行分析

就傳統(tǒng)PFC轉(zhuǎn)換器而言，實現(xiàn)功率校正的關(guān)鍵是讓輸入電流追蹤輸入電壓。[1]文件詳細說明了1-D控制電路實現(xiàn)。為了研究其小信號特性，本小節(jié)中，我們只介紹小信號傳遞函數(shù)的實現(xiàn)。實際上，在UCC28019A內(nèi)部，還有2個環(huán)路：電流環(huán)路和電壓環(huán)路。

對APFC轉(zhuǎn)換器的1-D控制方案深入研究后發(fā)現(xiàn)，1-D功能等效電路可移至電流環(huán)路的控制模塊。請參見[2]的內(nèi)部功能模塊。圖3顯示了在UCC28019A內(nèi)部使用1-D控制方案的補償電流環(huán)路：

圖3基于Cc的電流補償環(huán)路

參見升壓轉(zhuǎn)換器原則：

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3.2 UCC28019A負載上升期間UCC28019A Vcomp變化根本原因分析

UCC28019A產(chǎn)品說明書對其電壓誤差放大器的描述如下：

圖5電壓環(huán)路內(nèi)部原理

當5%以上的輸出電壓擾動出現(xiàn)在VSENSE輸入時，放大器脫離線性運行。在欠壓狀態(tài)下，UVD功能調(diào)用EDR，其立即將電壓誤差放大器跨導(dǎo)從42µs增加至440µs。這種高增益促使補償電容器更迅速地充電至新的工作電平。這表明，EDR產(chǎn)生大量的Vcomp充電量，從而極大提高Vcomp升壓，特別是當輸出電流急劇增加時。所以，如果根據(jù)EDR功能要求降低Vcomp影響，則必須在可能的情況下，稍微提高電壓環(huán)路響應(yīng)速度，以避開UVP點。如圖6所示，我們必須稍微降低電壓反饋電路(通常為Ccv2)響應(yīng)速度，使其稍快于環(huán)路響應(yīng)時間。

圖6電壓反饋補償環(huán)路

3.3 UCC28019A控制器降壓期間PFC電感電流噪聲分析

在大多數(shù)情況下，PFC負載下降過程中可能會出現(xiàn)PFC電感噪聲。實驗表明，當輸出OVP被觸發(fā)時出現(xiàn)這種電感噪聲。另外，如果OVP保持被觸發(fā)狀態(tài)則這種噪聲可能會存在相當長一段時間，特別是當負載被切換至輕負載模式時。因此，噪聲會與輸出OVP保護模式緊密相關(guān)。

產(chǎn)品說明書稱，UCC28019A擁有非常簡單的OVP保護模式—如果OVP保護被觸發(fā)，則其直接關(guān)閉驅(qū)動器。但在實際實驗中，我們發(fā)現(xiàn)，驅(qū)動器在這種狀態(tài)下出現(xiàn)異常，并且電感電流也有一些異常高峰值電擊。

許多實驗表明，Vcomp隨這種過程非常緩慢地下降。如果縮短該降壓時間，則噪聲減少。因此，一種好的解決方案是，當OVP被觸發(fā)時，使用一些外部方法來對補償電容器快速放電。一旦Vcomp電壓下降，輸出也脫離OVP電平，并且不再存在噪聲問題。

3.4 UCC28019A負載下降期間PFC電感電流噪聲解決方案

正如3.3小節(jié)所分析的那樣，有一種方法可以快速地降低Vcomp電壓。在一些情況下，這不會存在嚴重的問題，因為我們選擇了小值補償電容器，噪聲不那么明顯。但在大多數(shù)情況下，當PCB布局不理想且沒有達到更高PF值時，電壓補償環(huán)路便沒有優(yōu)化的余地，但負責下降噪聲卻仍然很明顯;在這種情況下，要求使用外部電路來解決這個問題。

建議解決方案如下：

為了易于理解，我們使用標準OP和TL431或者TL103，實現(xiàn)電路如圖7所示。

圖7 建議解決方案補償環(huán)路簡易原理圖

圖8顯示了使用TL103的完整解決方案。正常情況下，TL103的一半可用于高溫保護，這是實際工程中安全標準所要求的。

圖8 使用TL103改善負載動態(tài)性能的完整解決方案

在實際設(shè)計中，這種解決方案的重點必須達到R1、R2和TL103高容限的下列要求：

4、利用UCC28019A平均模型和實際實驗驗證建議解決方案

為了驗證上一小節(jié)提到的解決方案的可行性，我們建立UCC28019A平均模型，并進行仿真。與此同時，制造實驗樣機，對解決方案進行驗證。

仿真模型與實驗樣機基于表1所列參數(shù)。

表1 樣機參數(shù)列表

圖9 UCC28019A應(yīng)用的平均模型

當PFC從無負載轉(zhuǎn)為全負載瞬態(tài)時，而EDR仍然工作在PFC工作狀態(tài)下，PFC電感出現(xiàn)峰值電流不可避免;但是，不存在電感飽和問題，也沒有可見噪聲。但是，當PFC從全負載轉(zhuǎn)為無負載瞬態(tài)時，電感存在噪聲。圖10顯示了初始應(yīng)用的仿真結(jié)果。[!--empirenews.page--]

圖10 無TL103的輸出和電感電流仿真結(jié)果

從前面仿真結(jié)果，我們知道，當PFC負載下降時，可以清楚地觀察到噪聲?，F(xiàn)在，圖9描述了這個外部TL103;圖11顯示了輸出電壓、電感電流和OP輸出的仿真結(jié)果。

圖11 輸出、電感電流與TL103輸出的仿真結(jié)果

由圖11所示仿真結(jié)果，我們可以看到，噪聲消失了，而TL103對電壓環(huán)路的電容器電流進行放電。因此，輸出電壓可以迅速地進入調(diào)節(jié)范圍。但是，一個很重要的問題是，無負載功耗要求不得影響無負載工作。

為了對實際工作情況進行驗證，我們在樣機上做了一個實驗。圖12顯示了基于初始應(yīng)用的測量結(jié)果;在輸出負載下降過程中我們可以清楚地看到噪聲的存在。但是，使用改進之后的解決方案，噪聲消失了(參見圖13)，其與仿真結(jié)果相同。

圖12 無TL103的輸出和PFC電感電流測量結(jié)果

圖13 輸出、電感電流與TL103輸出的測量結(jié)果

5 結(jié)論

本文基于初始UCC28019A應(yīng)用，詳細說明了輸出負載上升與下降期間噪聲問題的根本原因。對于PWM調(diào)光LED街道照明應(yīng)用來說，這是一個急需解決的問題。我們?yōu)槟闾岢隽讼鄳?yīng)的解決方案，并通過理論分析和仿真以及實驗測量，對其有效性進行了驗證。結(jié)果表明，它們非常符合要求。

總之，我們通過建議TL103外部電路，可以對電壓環(huán)路參數(shù)進行優(yōu)化以避免負載上升噪聲，同時還可以避免負載下降噪聲。注意，TL103的另一部分可在實際工程中用于高溫保護，其意味著這種建議外部電路具有極大的使用價值。

6 參考文獻

[1] 《開關(guān)式轉(zhuǎn)換器的單周期控制》，作者Keyue M. Smedley和Slobodan ′Cuk

[2] UCC28019A 8引腳連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)PFC控制器產(chǎn)品說明書，TI文獻編號SLUS828

[3]《普通電流控制的建模與實際設(shè)計問題》，作者Jain Sun和Richard M. Bass，見于1999年《應(yīng)用電源電子大會會議記錄》第980-986頁。

[4]《平均電流模式控制的小信號建模》，作者W. Tang, F. C. Lee和R. B. Ridley，見于IEEE《電源電子會報》第8卷第112-119頁

[5]《不同電流控制單相PFC電路的大信號特性描述》，作者Jain Sun、Wei-Chung Wu和Richard M. Bass，見于《應(yīng)用電源電子大會會議記錄》第655-661頁

[6]《升壓型功率因數(shù)校正電路電流環(huán)路計算機輔助建?！?，作者Y. S. Sun、J. W. Lee和A. Chu，見于1998年《國際電信能源會議記錄》第316-320

[7]《單開關(guān)功率因數(shù)校正轉(zhuǎn)換器大信號建?！?，作者Guangyong Zhu、Chris Iannello、Peter Kornetzky和Issa Batarseh，見于2000年《IEEE PESC》第1351-1357頁