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。

　　關鍵詞：

　　UCC28019A， LED照明，APFC，平均模型，負載動態，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異性能印象深刻。這個優點讓UCC28019A比傳統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，當使用動態響應時，其獨特的環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性能的合適解決方案。首先，第2小節詳細介紹了這個問題。為了研究清楚其原因，第3小節對電流環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負載動態可見噪聲描述

　　下列兩種情況可能會出現動態噪聲問題：

　　·未對環路進行優化時負載上升情況（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運行期間未控制環路時的負載下降工作情況。在這一過程中，無規律頻率引起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路穩定性的最實用方法。本小節重點討論UCC28019A內部電流環路的主小信號傳遞函數，因為電壓環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個環路：電流環路和電壓環路。

　　對APFC轉換器的1-D控制方案深入研究后發現，1-D功能等效電路可移至電流環路的控制模塊。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路：

　　圖3基于Cc的電流補償環路

　　（ 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路的低頻特性。由方程式（1），我們可以看到，穩定工作狀態下 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 的穩定值，其表明某種穩定工作狀態下，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，使其稍快于環路響應時間。

　　圖6電壓反饋補償環路

　　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被觸發時出現這種電感噪聲。另外，如果OVP保持被觸發狀態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，則其直接關閉驅動器。但在實際實驗中，我們發現，驅動器在這種狀態下出現異常，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，電壓補償環路便沒有優化的余地，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時，而EDR仍然工作在PFC工作狀態下，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。我們為你提出了相應的解決方案，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，可以對電壓環路參數進行優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。