UCC28019A LED照明應(yīng)用負(fù)載動(dòng)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(lái)越多，而UCC28019A控制器非常適合于這種應(yīng)用。但是，輸出負(fù)載PWM調(diào)光帶來(lái)的PFC電感噪聲問(wèn)題，可能是主要問(wèn)題。本文中，我們將基于小信號(hào)模型分析這種現(xiàn)象的根本原因，并提出解決方案。為了驗(yàn)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(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行檢驗(yàn)。經(jīng)證明，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析結(jié)果和仿真結(jié)果非常吻合。

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(shì)，例如：無(wú)需外部補(bǔ)償斜率、更高的檢查電流信號(hào)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(jì)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(kāi)關(guān)式轉(zhuǎn)換器的脈沖和非線性特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整流電壓或者電流平均值的即時(shí)控制。設(shè)計(jì)這種控制方案的目的是，提供比其它PFC控制器更快的動(dòng)態(tài)負(fù)載響應(yīng)和更好的輸入擾動(dòng)抑制。

在實(shí)際工程中，大多數(shù)工程師都對(duì)寬輸入范圍UCC28019A控制器的高PF值以及無(wú)輸出過(guò)沖導(dǎo)通升壓的優(yōu)異性能印象深刻。這個(gè)優(yōu)點(diǎn)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(lái)越多的情況下，尤其如此。但是，當(dāng)使用動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)，其獨(dú)特的環(huán)路特性會(huì)引起可見(jiàn)噪聲問(wèn)題。

鑒于上述問(wèn)題，本文的目標(biāo)是為你介紹一種能夠改善這種動(dòng)態(tài)性能的合適解決方案。首先，第2小節(jié)詳細(xì)介紹了這個(gè)問(wèn)題。為了研究清楚其原因，第3小節(jié)對(duì)電流環(huán)路小信號(hào)進(jìn)行了分析;基于此，詳細(xì)說(shuō)明了其根本原因，并提出一種正確的解決方案。為了對(duì)這種解決方案進(jìn)行完整的驗(yàn)證，我們還使用相應(yīng)的UCC28019A平均模型，在第4小節(jié)對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試和結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。最后，結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用，文章概括了這種解決方案的一些設(shè)計(jì)技巧。

2、UCC28019A負(fù)載動(dòng)態(tài)可見(jiàn)噪聲描述

下列兩種情況可能會(huì)出現(xiàn)動(dòng)態(tài)噪聲問(wèn)題：

未對(duì)環(huán)路進(jìn)行優(yōu)化時(shí)負(fù)載上升情況(參見(jiàn)圖1)，這時(shí)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(fù)載上升情況

圖2顯示了OVP運(yùn)行期間未控制環(huán)路時(shí)的負(fù)載下降工作情況。在這一過(guò)程中，無(wú)規(guī)律頻率引起PFC高峰值電感電流，從而導(dǎo)致可見(jiàn)噪聲。

圖2導(dǎo)致PFC電感飽和的負(fù)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(fù)載調(diào)光要求。

3、基于UCC28019A工作原理的根本原因分析

小信號(hào)建模是研究轉(zhuǎn)換器控制環(huán)路穩(wěn)定性的最實(shí)用方法。本小節(jié)重點(diǎn)討論UCC28019A內(nèi)部電流環(huán)路的主小信號(hào)傳遞函數(shù)，因?yàn)殡妷涵h(huán)路電壓擾動(dòng)下的電感電流響應(yīng)是我們的主要研究目標(biāo)。

3.1 根據(jù)UCC28019A負(fù)載上升期間Vcomp變化對(duì)PFC電感電流噪聲進(jìn)行分析

就傳統(tǒng)PFC轉(zhuǎn)換器而言，實(shí)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(xì)說(shuō)明了1-D控制電路實(shí)現(xiàn)。為了研究其小信號(hào)特性，本小節(jié)中，我們只介紹小信號(hào)傳遞函數(shù)的實(shí)現(xiàn)。實(shí)際上，在UCC28019A內(nèi)部，還有2個(gè)環(huán)路：電流環(huán)路和電壓環(huán)路。

對(duì)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(qǐng)參見(jiàn)[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(bǔ)償電流環(huán)路：

圖3基于Cc的電流補(bǔ)償環(huán)路

( 為對(duì)PFC、Icomp和1-D電流檢測(cè)電阻器電壓產(chǎn)生擾動(dòng)的小信號(hào);m1和m2為非線性增益，k1為內(nèi)部控制器常量，Cc為補(bǔ)償電容器，Ts為開(kāi)關(guān)時(shí)間)。

補(bǔ)償電流環(huán)路的傳遞函數(shù) 推導(dǎo)如下：

至于功率因數(shù)校正，主要問(wèn)題是追蹤輸入電壓的輸入電流的工作原理。我們知道，在90到120Hz低頻范圍，輸入電流始終追蹤輸入電壓;因此，電流環(huán)路是唯一的低頻特性問(wèn)題。與UC3854一樣，UCC28019A的功率因數(shù)原則也結(jié)合了電流環(huán)路的低頻特性。由方程式(1)，我們可以看到，穩(wěn)定工作狀態(tài)下 的低頻增益為：

另外，在低頻下：

在低頻下，組合方程式(2)和(3)，結(jié)果為：

參見(jiàn)升壓轉(zhuǎn)換器原則：

最后，追蹤輸入電壓的輸入電流公式推導(dǎo)如下：

它表明達(dá)到了PF。由前面公式，基于方程式(1)的標(biāo)準(zhǔn)公式為：

Vcomp的Iin擾動(dòng)，可得到：

其中

。使用MathCAD表達(dá)式如下：

圖4 Vcomp下m3(Vcomp)曲線

由(8)，我們知道，

取決于

的穩(wěn)定值，其表明某種穩(wěn)定工作狀態(tài)下，Iin電流仍然受到這些參數(shù)的擾動(dòng)。這同時(shí)也表明，Vcomp快速變化以后PFC電流響應(yīng)迅速。

從前面分析，我們可以得出這樣的結(jié)論：如果在注入某個(gè)Vcomp擾動(dòng)時(shí)PFC電感電流必須有一些小變化，則同時(shí)必須降低

的值。但是，在實(shí)際功能優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，這很難控制。因此，標(biāo)準(zhǔn)解決方案依賴于整個(gè)電壓環(huán)路閉合時(shí)Vcomp變化降低的程度。

3.2 UCC28019A負(fù)載上升期間UCC28019A Vcomp變化根本原因分析

UCC28019A產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)對(duì)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(dāng)5%以上的輸出電壓擾動(dòng)出現(xiàn)在VSENSE輸入時(shí)，放大器脫離線性運(yùn)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(bǔ)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(dāng)輸出電流急劇增加時(shí)。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(kāi)UVP點(diǎn)。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(shí)間。

圖6電壓反饋補(bǔ)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(fù)載下降過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)PFC電感噪聲。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)輸出OVP被觸發(fā)時(shí)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(huì)存在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間，特別是當(dāng)負(fù)載被切換至輕負(fù)載模式時(shí)。因此，噪聲會(huì)與輸出OVP保護(hù)模式緊密相關(guān)。

產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)稱，UCC28019A擁有非常簡(jiǎn)單的OVP保護(hù)模式—如果OVP保護(hù)被觸發(fā)，則其直接關(guān)閉驅(qū)動(dòng)器。但在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，我們發(fā)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)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(shí)驗(yàn)表明，Vcomp隨這種過(guò)程非常緩慢地下降。如果縮短該降壓時(shí)間，則噪聲減少。因此，一種好的解決方案是，當(dāng)OVP被觸發(fā)時(shí)，使用一些外部方法來(lái)對(duì)補(bǔ)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(wèn)題。

3.4 UCC28019A負(fù)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(huì)存在嚴(yán)重的問(wèn)題，因?yàn)槲覀冞x擇了小值補(bǔ)償電容器，噪聲不那么明顯。但在大多數(shù)情況下，當(dāng)PCB布局不理想且沒(méi)有達(dá)到更高PF值時(shí)，電壓補(bǔ)償環(huán)路便沒(méi)有優(yōu)化的余地，但負(fù)責(zé)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(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

建議解決方案如下：

為了易于理解，我們使用標(biāo)準(zhǔn)OP和TL431或者TL103，實(shí)現(xiàn)電路如圖7所示。

圖7 建議解決方案補(bǔ)償環(huán)路簡(jiǎn)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(hù)，這是實(shí)際工程中安全標(biāo)準(zhǔn)所要求的。

圖8 使用TL103改善負(fù)載動(dòng)態(tài)性能的完整解決方案

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，這種解決方案的重點(diǎn)必須達(dá)到R1、R2和TL103高容限的下列要求：

4、利用UCC28019A平均模型和實(shí)際實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證建議解決方案

為了驗(yàn)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(jìn)行仿真。與此同時(shí)，制造實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，對(duì)解決方案進(jìn)行驗(yàn)證。

仿真模型與實(shí)驗(yàn)樣機(jī)基于表1所列參數(shù)。

表1 樣機(jī)參數(shù)列表

圖9 UCC28019A應(yīng)用的平均模型

當(dāng)PFC從無(wú)負(fù)載轉(zhuǎn)為全負(fù)載瞬態(tài)時(shí)，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(wèn)題，也沒(méi)有可見(jiàn)噪聲。但是，當(dāng)PFC從全負(fù)載轉(zhuǎn)為無(wú)負(fù)載瞬態(tài)時(shí)，電感存在噪聲。圖10顯示了初始應(yīng)用的仿真結(jié)果。

圖10 無(wú)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(dāng)PFC負(fù)載下降時(shí)，可以清楚地觀察到噪聲?，F(xiàn)在，圖9描述了這個(gè)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(duì)電壓環(huán)路的電容器電流進(jìn)行放電。因此，輸出電壓可以迅速地進(jìn)入調(diào)節(jié)范圍。但是，一個(gè)很重要的問(wèn)題是，無(wú)負(fù)載功耗要求不得影響無(wú)負(fù)載工作。

為了對(duì)實(shí)際工作情況進(jìn)行驗(yàn)證，我們?cè)跇訖C(jī)上做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)。圖12顯示了基于初始應(yīng)用的測(cè)量結(jié)果;在輸出負(fù)載下降過(guò)程中我們可以清楚地看到噪聲的存在。但是，使用改進(jìn)之后的解決方案，噪聲消失了(參見(jiàn)圖13)，其與仿真結(jié)果相同。

圖12 無(wú)TL103的輸出和PFC電感電流測(cè)量結(jié)果

圖13 輸出、電感電流與TL103輸出的測(cè)量結(jié)果

5 結(jié)論

本文基于初始UCC28019A應(yīng)用，詳細(xì)說(shuō)明了輸出負(fù)載上升與下降期間噪聲問(wèn)題的根本原因。對(duì)于PWM調(diào)光LED街道照明應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)急需解決的問(wèn)題。我們?yōu)槟闾岢隽讼鄳?yīng)的解決方案，并通過(guò)理論分析和仿真以及實(shí)驗(yàn)測(cè)量，對(duì)其有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，它們非常符合要求。

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