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(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，例如：無需外部補(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控制器利用開關(guān)式轉(zhuǎn)換器的脈沖和非線性特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對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(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)引起可見噪聲問題。

鑒于上述問題，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)問題。為了研究清楚其原因，第3小節(jié)對電流環(huán)路小信號(hào)進(jìn)行了分析;基于此，詳細(xì)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(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)對實(shí)驗(yàn)測試和結(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)可見噪聲描述

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

未對環(huán)路進(jìn)行優(yōu)化時(shí)負(fù)載上升情況(參見圖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(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(bǔ)償電流環(huán)路：

圖3基于Cc的電流補(bǔ)償環(huán)路

( 為對PFC、Icomp和1-D電流檢測電阻器電壓產(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：

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