1、Texas InstrumentsUCC28019A LED 照明应用负载动态性能优化解决方案作者： Richard Yang 德州仪器 (TI)摘要用于高功率 PWM 调光 LED 街道照明的 90Vac 到 305Vac 宽输入范围应用越来越多，而 UCC28019A 控制器非常适合于这种应用。但是，输出负载 PWM 调光带来的 PFC 电感噪声问题，可能是主要问题。本文中，我们将基于小信号模型分析这种现象的根本原因，并提出解决方案。为了验证这种建议解决方案的有效性，我们使用 UCC28019A 平均模型并利用实验来进行检验。经证明，实验结果与分析结果和仿真结果非常吻合。关键词：UCC28
2、019A， LED 照明，APFC，平均模型，负载动态，仿真，噪声问题1、 引言CCM 工作的平均电流控制是最为典型的一种控制方案，其广泛用于高功率APFC 转换器，例如：基于 UC3854 的转换器等。相比峰值电流控制，它拥有许多优势，例如：无需外部补偿斜率、更高的检查电流信号噪声抑制度以及更低的输入电流 THD。但是，在芯片内部使用乘法器的传统 CCM 控制方案，让外部电流设计变得复杂。最近，使用 1-D 控制模型的新型 CCM（一种 8 引脚解决方案） ，例如：TI UCC28019A 控制器等，成为广大工程师们的首选。UCC28019A 控制器利用开关式转换器的脉冲和非线性特点，实现对
3、整流电压或者电流平均值的即时控制。设计这种控制方案的目的是，提供比其它 PFC 控制器更快的动态负载响应和更好的输入扰动抑制。在实际工程中，大多数工程师都对宽输入范围 UCC28019A 控制器的高 PF 值以及无输出过冲导通升压的优异性能印象深刻。这个优点让 UCC28019A 比传统BCM PFC 控制器更加适合于这种应用。特别是在高功率 PWM 调光 LED 街道照明的 90 到 300Vac 宽输入范围应用越来越多的情况下，尤其如此。但是，当使用动态响应时，其独特的环路特性会引起可见噪声问题。鉴于上述问题，本文的目标是为你介绍一种能够改善这种动态性能的合适解决方案。首先，第 2 小节详
4、细介绍了这个问题。为了研究清楚其原因，第 3 小节对电流环路小信号进行了分析；基于此，详细说明了其根本原因，并提出一种正确的解决方案。为了对这种解决方案进行完整的验证，我们还使用相应的UCC28019A 平均模型，在第 4 小节对实验测试和结果进行验证。最后，结合实际工程应用，文章概括了这种解决方案的一些设计技巧。2、 UCC28019A 负载动态可见噪声描述下列两种情况可能会出现动态噪声问题： 未对环路进行优化时负载上升情况（参见图 1） ，这时 PFC 峰值电感电流即刻增加，从而导致铁氧体感应器饱和。图 1 使 PFC 电感饱和的负载上升情况 图 2 显示了 OVP 运行期间未控制环路时的
5、负载下降工作情况。在这一过程中，无规律频率引起 PFC 高峰值电感电流，从而导致可见噪声。图 2 导致 PFC 电感饱和的负载下降关于 LED就户外应用而言，这种现象受到抑制，原因是后期 PWM 负载调光要求。3、 基于 UCC28019A 工作原理的根本原因分析小信号建模是研究转换器控制环路稳定性的最实用方法。本小节重点讨论UCC28019A 内部电流环路的主小信号传递函数，因为电压环路电压扰动下的电感电流响应是我们的主要研究目标。3.1 根据 UCC28019A 负载上升期间 Vcomp 变化对 PFC 电感电流噪声进行分析就传统 PFC 转换器而言，实现功率校正的关键是让输入电流追踪输入
6、电压。1文件详细说明了 1-D 控制电路实现。为了研究其小信号特性，本小节中，我们只介绍小信号传递函数的实现。实际上，在 UCC28019A 内部，还有 2 个环路：电流环路和电压环路。对 APFC 转换器的 1-D 控制方案深入研究后发现，1-D 功能等效电路可移至电流环路的控制模块。请参见2的内部功能模块。图 3 显示了在 UCC28019A 内部使用 1-D 控制方案的补偿电流环路：图 3 基于 Cc 的电流补偿环路（ 为对 PFC、Icomp 和 1-D 电流检测电阻器电压产生扰动的小信号；m1 和 m2 为非线性增益，k1 为内部控制器常量，Cc 为补偿电容器，Ts 为开关时间） 。
7、补偿电流环路的传递函数 推导如下：至于功率因数校正，主要问题是追踪输入电压的输入电流的工作原理。我们知道，在 90 到 120Hz 低频范围，输入电流始终追踪输入电压；因此，电流环路是唯一的低频特性问题。与 UC3854 一样，UCC28019A 的功率因数原则也结合了电流环路的低频特性。由方程式（1） ，我们可以看到，稳定工作状态下的低频增益为：另外，在低频下：在低频下，组合方程式（2）和（3） ，结果为：参见升压转换器原则：最后，追踪输入电压的输入电流公式推导如下：它表明达到了 PF。由前面公式，基于方程式（ 1）的标准公式为：Vcomp 的 Iin 扰动，可得到：其中 。使用 MathC
8、AD 表达式如下：图 4 Vcomp 下 m3（Vcomp）曲线由（8） ，我们知道， 取决于 的稳定值，其表明某种稳定工作状态下，Iin 电流仍然受到这些参数的扰动。这同时也表明，Vcomp 快速变化以后 PFC 电流响应迅速。从前面分析，我们可以得出这样的结论：如果在注入某个 Vcomp 扰动时 PFC电感电流必须有一些小变化，则同时必须降低 的值。但是，在实际功能优化设计过程中，这很难控制。因此，标准解决方案依赖于整个电压环路闭合时 Vcomp 变化降低的程度。3.2 UCC28019A 负载上升期间 UCC28019A Vcomp 变化根本原因分析UCC28019A 产品说明书对其电压
9、误差放大器的描述如下：图 5 电压环路内部原理当 5%以上的输出电压扰动出现在 VSENSE 输入时，放大器脱离线性运行。在欠压状态下，UVD 功能调用 EDR，其立即将电压误差放大器跨导从 42s 增加至 440s。这种高增益促使补偿电容器更迅速地充电至新的工作电平。这表明，EDR 产生大量的 Vcomp 充电量，从而极大提高 Vcomp 升压，特别是当输出电流急剧增加时。所以，如果根据 EDR 功能要求降低 Vcomp 影响，则必须在可能的情况下，稍微提高电压环路响应速度，以避开 UVP 点。如图 6 所示，我们必须稍微降低电压反馈电路（通常为 Ccv2）响应速度，使其稍快于环路响应时间。
10、图 6 电压反馈补偿环路3.3 UCC28019A 控制器降压期间 PFC 电感电流噪声分析在大多数情况下，PFC 负载下降过程中可能会出现 PFC 电感噪声。实验表明，当输出 OVP 被触发时出现这种电感噪声。另外，如果 OVP 保持被触发状态则这种噪声可能会存在相当长一段时间，特别是当负载被切换至轻负载模式时。因此，噪声会与输出 OVP 保护模式紧密相关。产品说明书称，UCC28019A 拥有非常简单的 OVP 保护模式如果 OVP 保护被触发，则其直接关闭驱动器。但在实际实验中，我们发现，驱动器在这种状态下出现异常，并且电感电流也有一些异常高峰值电击。许多实验表明，Vcomp 随这种过程
11、非常缓慢地下降。如果缩短该降压时间，则噪声减少。因此，一种好的解决方案是，当 OVP 被触发时，使用一些外部方法来对补偿电容器快速放电。一旦 Vcomp 电压下降，输出也脱离 OVP 电平，并且不再存在噪声问题。3.4 UCC28019A 负载下降期间 PFC 电感电流噪声解决方案正如 3.3 小节所分析的那样，有一种方法可以快速地降低 Vcomp 电压。在一些情况下，这不会存在严重的问题，因为我们选择了小值补偿电容器，噪声不那么明显。但在大多数情况下，当 PCB 布局不理想且没有达到更高 PF 值时，电压补偿环路便没有优化的余地，但负责下降噪声却仍然很明显；在这种情况下，要求使用外部电路来解
12、决这个问题。建议解决方案如下：为了易于理解，我们使用标准 OP 和 TL431 或者 TL103，实现电路如图 7 所示。图 7 建议解决方案补偿环路简易原理图图 8 显示了使用 TL103 的完整解决方案。正常情况下，TL103 的一半可用于高温保护，这是实际工程中安全标准所要求的。图 8 使用 TL103 改善负载动态性能的完整解决方案在实际设计中，这种解决方案的重点必须达到 R1、R2 和 TL103 高容限的下列要求：4、利用 UCC28019A 平均模型和实际实验验证建议解决方案为了验证上一小节提到的解决方案的可行性，我们建立 UCC28019A 平均模型，并进行仿真。与此同时，制造
13、实验样机，对解决方案进行验证。仿真模型与实验样机基于表 1 所列参数。表 1 样机参数列表图 9 UCC28019A 应用的平均模型当 PFC 从无负载转为全负载瞬态时，而 EDR 仍然工作在 PFC 工作状态下，PFC 电感出现峰值电流不可避免；但是，不存在电感饱和问题，也没有可见噪声。但是，当 PFC 从全负载转为无负载瞬态时，电感存在噪声。图 10 显示了初始应用的仿真结果。图 10 无 TL103 的输出和电感电流仿真结果从前面仿真结果，我们知道，当 PFC 负载下降时，可以清楚地观察到噪声。现在，图 9 描述了这个外部 TL103；图 11 显示了输出电压、电感电流和 OP 输出的仿
14、真结果。图 11 输出、电感电流与 TL103 输出的仿真结果由图 11 所示仿真结果，我们可以看到，噪声消失了，而 TL103 对电压环路的电容器电流进行放电。因此，输出电压可以迅速地进入调节范围。但是，一个很重要的问题是，无负载功耗要求不得影响无负载工作。为了对实际工作情况进行验证，我们在样机上做了一个实验。图 12 显示了基于初始应用的测量结果；在输出负载下降过程中我们可以清楚地看到噪声的存在。但是，使用改进之后的解决方案，噪声消失了（参见图 13） ，其与仿真结果相同。图 12 无 TL103 的输出和 PFC 电感电流测量结果图 13 输出、电感电流与 TL103 输出的测量结果5
15、结论本文基于初始 UCC28019A 应用，详细说明了输出负载上升与下降期间噪声问题的根本原因。对于 PWM 调光 LED 街道照明应用来说，这是一个急需解决的问题。我们为你提出了相应的解决方案，并通过理论分析和仿真以及实验测量，对其有效性进行了验证。结果表明，它们非常符合要求。总之，我们通过建议 TL103 外部电路，可以对电压环路参数进行优化以避免负载上升噪声，同时还可以避免负载下降噪声。注意，TL103 的另一部分可在实际工程中用于高温保护，其意味着这种建议外部电路具有极大的使用价值。6 参考文献1 开关式转换器的单周期控制 ，作者 Keyue M. Smedley 和 Slobodan
16、 Cuk2 UCC28019A 8 引脚连续导电模式（CCM）PFC 控制器产品说明书，TI 文献编号 SLUS8283普通电流控制的建模与实际设计问题 ，作者 Jain Sun 和 Richard M. Bass，见于 1999 年应用电源电子大会会议记录第 980-986 页。4平均电流模式控制的小信号建模 ，作者 W. Tang, F. C. Lee 和 R. B. Ridley，见于 IEEE电源电子会报 第 8 卷第 112-119 页5不同电流控制单相 PFC 电路的大信号特性描述 ，作者 Jain Sun、Wei-Chung Wu 和 Richard M. Bass，见于应用电源电子大会会议记录第 655-661页6升压型功率因数校正电路电流环路计算机辅助建模 ，作者 Y. S. Sun、J. W. Lee 和 A. Chu，见于 1998 年国际电信能源会议记录 第 316-3207单开关功率因数校正转换器大信号建模 ，作者 Guangyong Zhu、Chris Iannello、Peter Kornetzky 和 Issa Batarseh，见于 2000 年IEEE PESC第 1351-1357 页
