摘要

用于高功率PWM調光LED街道照明的90Vac到305Vac寬輸入范圍應用越來越多，而UCC28019A控制器非常適合于這種應用。但是，輸出負載PWM調光帶來的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。經證明，實驗結果與分析結果和仿真結果非常吻合。

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轉換器，例如：基于UC3854的轉換器等。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，在芯片內部使用乘法器的傳統(tǒng)CCM控制方案，讓外部電流設計變得復雜。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控制器利用開關式轉換器的脈沖和非線性特點，實現對整流電壓或者電流平均值的即時控制。設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)負載響應和更好的輸入擾動抑制。

在實際工程中，大多數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用。特別是在高功率PWM調光LED街道照明的90到300Vac寬輸入范圍應用越來越多的情況下，尤其如此。但是，當使用動態(tài)響應時，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，我們還使用相應的UCC28019A平均模型，在第4小節(jié)對實驗測試和結果進行驗證。最后，結合實際工程應用，文章概括了這種解決方案的一些設計技巧。

2、UCC28019A負載動態(tài)可見噪聲描述

下列兩種情況可能會出現動態(tài)噪聲問題：

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，從而導致鐵氧體感應器飽和。

圖1 使PFC電感飽和的負載上升情況

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，從而導致可見噪聲。

圖2導致PFC電感飽和的負載下降

關于LED—就戶外應用而言，這種現象受到抑制，原因是后期PWM負載調光要求。

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內部電流環(huán)路的主小信號傳遞函數，因為電壓環(huán)路電壓擾動下的電感電流響應是我們的主要研究目標。

3.1 根據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轉換器而言，實現功率校正的關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。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的實現。實際上，在UCC28019A內部，還有2個環(huán)路：電流環(huán)路和電壓環(huán)路。

對APFC轉換器的1-D控制方案深入研究后發(fā)現，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]的內部功能模塊。圖3顯示了在UCC28019A內部使用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

( 為對PFC、Icomp和1-D電流檢測電阻器電壓產生擾動的小信號;m1和m2為非線性增益，k1為內部控制器常量，Cc為補償電容器，Ts為開關時間)。

補償電流環(huán)路的傳遞函數 推導如下：

至于功率因數校正，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的功率因數原則也結合了電流環(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)，結果為：

參見升壓轉換器原則：

最后，追蹤輸入電壓的輸入電流公式推導如下：

它表明達到了PF。由前面公式，基于方程式(1)的標準公式為：

Vcomp的Iin擾動，可得到：

其中

。使用MathCAD表達式如下：

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的擾動。這同時也表明，Vcomp快速變化以后PFC電流響應迅速。

從前面分析，我們可以得出這樣的結論：如果在注入某個Vcomp擾動時PFC電感電流必須有一些小變化，則同時必須降低

的值。但是，在實際功能優(yōu)化設計過程中，這很難控制。因此，標準解決方案依賴于整個電壓環(huán)路閉合時Vcomp變化降低的程度。

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

UCC28019A產品說明書對其電壓誤差放大器的描述如下：

圖5電壓環(huán)路內部原理

當5%以上的輸出電壓擾動出現在VSENSE輸入時，放大器脫離線性運行。在欠壓狀態(tài)下，UVD功能調用EDR，其立即將電壓誤差放大器跨導從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)響應速度，使其稍快于環(huán)路響應時間。

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

在大多數情況下，PFC負載下降過程中可能會出現PFC電感噪聲。實驗表明，當輸出OVP被觸發(fā)時出現這種電感噪聲。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。

產品說明書稱，UCC28019A擁有非常簡單的OVP保護模式—如果OVP保護被觸發(fā)，則其直接關閉驅動器。但在實際實驗中，我們發(fā)現，驅動器在這種狀態(tài)下出現異常，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。

表1 樣機參數列表

圖9 UCC28019A應用的平均模型

當PFC從無負載轉為全負載瞬態(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從全負載轉為無負載瞬態(tài)時，電感存在噪聲。圖10顯示了初始應用的仿真結果。

圖10 無TL103的輸出和電感電流仿真結果

從前面仿真結果，我們知道，當PFC負載下降時，可以清楚地觀察到噪聲?，F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輸出的仿真結果。

圖11 輸出、電感電流與TL103輸出的仿真結果

由圖11所示仿真結果，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顯示了基于初始應用的測量結果;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)，其與仿真結果相同。

圖12 無TL103的輸出和PFC電感電流測量結果

圖13 輸出、電感電流與TL103輸出的測量結果

5 結論

本文基于初始UCC28019A應用，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調光LED街道照明應用來說，這是一個急需解決的問題。我們?yōu)槟闾岢隽讼鄳慕鉀Q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。