功率变换器及其关断时间控制电路和控制方法与流程

本公开涉及电力电子，具体地，涉及功率变换器及其关断时间控制电路和控制方法。

背景技术：

1、功率变换器是电子设备中不可或缺的电能管理单元，广泛应用于消费电子、工业控制、通信设备及汽车电子等领域，用于将一种形式的电能（如较低的输入电压）转换为另一种形式（如较高的输出电压），以满足不同负载的供电需求。

2、恒定关断时间控制模式是控制功率变换器中功率管动作的一种常用方法。与传统的峰值电流控制模式相比，恒定关断时间控制模式无需复杂的斜坡补偿电路，并且具有更快的动态响应速度，因此特别适用于对电源瞬态响应要求较高的场合。在采用恒定关断时间控制的功率变换器中，控制电路负责产生一个固定时长的关断信号，用以决定功率管何时从关断状态切换回导通状态，从而调节能量传输，维持稳定的输出电压。

3、然而，在现有的恒定关断时间控制电路中，关断时间的产生通常依赖于对变换器开关节点电压和输入电压的检测与比较。具体而言，当功率管关断后，开关节点电压会反映输出电压的信息，该电压通过一个由电阻和电容组成的充电网络对电容进行充电。同时，输入电压经电阻分压后作为参考基准。当电容上的充电电压超过该参考基准时，比较器状态翻转，标志着关断时间结束，功率管重新导通。这种电路结构在理论近似计算下，可以使变换器的开关频率与输入、输出电压无关，从而实现定频控制。

4、但该现有技术方案存在一个显著缺陷：其理论上的定频特性是基于数学近似得出的。在实际工作中，当功率变换器的转换比变化范围较宽时，尤其是在转换比接近1的工况下，这种近似会带来较大的误差。该误差直接导致实际产生的关断时间会随着转换比的变化而发生明显偏移，进而使得变换器的开关频率无法保持恒定。开关频率的漂移会给系统带来电磁干扰设计复杂化、输出纹波增大、磁性元件利用率降低等一系列问题，严重影响了功率变换器的整体性能和可靠性。因此，亟需一种能够在宽范围转换比变化下，仍能保持开关频率高度一致性的恒定关断时间控制电路。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，本公开的目的在于提供功率变换器及其关断时间控制电路和控制方法，在关断时间控制电路中设置与输入电压相关的充电路径，以补偿因输入电压变化引起的参考电压波动，以提升功率变换器开关频率的稳定性。

2、根据本公开的一方面，提供一种用于功率变换器的关断时间控制电路，包括：比较器，具有第一输入端和第二输入端，以及输出端；电容，其一端耦接至所述比较器的第一输入端，另一端耦接于第一参考电压；第一充电路径，位于所述功率变换器的开关节点和所述电容的第一端之间；以及第二充电路径，位于所述功率变换器的输入端和所述电容的第一端之间，其中，所述比较器将所述电容的充电电压与第二参考电压相比较，从而产生所述功率变换器的关断时间结束信号，用于控制所述功率变换器中的功率管的关断时间。

3、可选地，所述第一参考电压为预定电位或地电位。

4、可选地，所述第一充电路径包括第一电阻，所述第一电阻耦接在所述功率变换器的开关节点和所述电容的第一端之间。

5、可选地，所述第二充电路径包括第二电阻，所述第二电阻耦接在所述功率变换器的输入端和所述电容的第一端之间。

6、可选地，所述第二充电路径包括压控电流源，所述压控电流源耦接在所述功率变换器的输入端和所述电容的第一端之间，其控制端接收所述功率变换器的输入电压。

7、可选地，所述第二参考电压由所述功率变换器的输入电压经分压网络产生。

8、可选地，所述分压网络包括串联耦接在所述功率变换器的输入端与地之间的第三电阻和第四电阻，所述第三电阻和所述第四电阻之间的节点提供所述第二参考电压至所述比较器的第二输入端。

9、可选地，在所述功率变换器中的功率管的导通阶段，所述电容经由所述第一充电路径进行放电。

10、根据本公开的另一方面，提供一种功率变换器，包括：功率级电路，用于将输入电压转换为输出电压；以及控制电路，用于控制所述功率级电路中的功率管的导通和关断，其中，所述控制电路包括上述的关断时间控制电路。

11、可选地，所述控制电路还包括：误差放大器，用于将所述输出电压的反馈信号与基准信号比较以产生误差信号；电流采样电路，用于检测流经所述功率管的电流以产生电流采样信号；电流比较器，用于将所述电流采样信号与所述误差信号对应的控制阈值比较以产生复位信号；以及rs触发器，其复位端接收所述复位信号，其置位端接收所述关断时间结束信号，其输出端产生控制信号以驱动所述功率管。

12、可选地，所述功率级电路包括：电感，耦接在所述功率变换器的输入端与开关节点之间；功率管，耦接在所述开关节点与地之间；以及续流元件，耦接在所述开关节点与输出端之间。

13、可选地，所述续流元件为选自二极管和晶体管中的任意一种。

14、可选地，所述功率变换器为选自buck型、boost型、buck-boost型、反激式拓扑中的任意一种。

15、根据本公开的另一方面，提供一种用于功率变换器的关断时间控制方法，包括：在功率管关断期间，通过第一充电路径从所述功率变换器的开关节点对电容充电，以及通过第二充电路径从所述功率变换器的输入端对所述电容充电；将所述电容的充电电压与第二参考电压进行比较；以及当所述充电电压达到所述第二参考电压时，产生关断时间结束信号，以开启所述功率管。

16、根据本公开的关断时间控制电路，通过设置第一充电路径和第二充电路径分别从功率变换器的开关节点和输入端对电容进行充电，使得比较器将电容的充电电压与第二参考电压进行比较以产生关断时间结束信号。在功率转换器的输入电压与输出电压接近时，该关断时间控制电路能够有效补偿开关频率因线性近似引入的误差，从而显著提升功率变换器在宽转换比范围的开关频率的稳定性，避免因频率漂移导致的电磁干扰设计复杂化、输出纹波增大以及磁性元件利用率降低等问题。

17、在进一步的实施例中，通过将第一参考电压设置为地电位或预定电位，以及将第一充电路径和第二充电路径分别设置为包括第一电阻和第二电阻，或者将第二充电路径设置为包括压控电流源，能够实现对电容充电电流的精确控制。特别是当第二充电路径采用压控电流源时，可根据输入电压动态调节充电速率，进一步优化关断时间对转换比变化的适应性，从而在更宽的转换比范围内实现高精度的定频控制。此外，通过将第二参考电压设置为由输入电压经分压网络产生，以及限定电容在功率管导通阶段经由第一充电路径放电，确保了关断时间控制电路与功率变换器工作状态的协调配合，提升了整体控制的可靠性。

1.一种用于功率变换器的关断时间控制电路，包括：

2.根据权利要求1所述的关断时间控制电路，其中，所述第一参考电压为预定电位或地电位。

3.根据权利要求1所述的关断时间控制电路，其中，所述第一充电路径包括第一电阻，所述第一电阻耦接在所述功率变换器的开关节点和所述电容的第一端之间。

4.根据权利要求1所述的关断时间控制电路，其中，所述第二充电路径包括第二电阻，所述第二电阻耦接在所述功率变换器的输入端和所述电容的第一端之间。

5.根据权利要求1所述的关断时间控制电路，其中，所述第二充电路径包括压控电流源，所述压控电流源耦接在所述功率变换器的输入端和所述电容的第一端之间，其控制端接收所述功率变换器的输入电压。

6.根据权利要求1所述的关断时间控制电路，其中，所述第二参考电压由所述功率变换器的输入电压经分压网络产生。

7.根据权利要求6所述的关断时间控制电路，其中，所述分压网络包括串联耦接在所述功率变换器的输入端与地之间的第三电阻和第四电阻，所述第三电阻和所述第四电阻之间的节点提供所述第二参考电压至所述比较器的第二输入端。

8.根据权利要求1所述的关断时间控制电路，其中，在所述功率变换器中的功率管的导通阶段，所述电容经由所述第一充电路径进行放电。

9.一种功率变换器，包括：

10.根据权利要求9所述的功率变换器，其中，所述控制电路还包括：

11.根据权利要求9所述的功率变换器，其中，所述功率级电路包括：

12.根据权利要求11所述的功率变换器，其中，所述续流元件为选自二极管和晶体管中的任意一种。

13.根据权利要求9所述的功率变换器，其中，所述功率变换器为选自buck型、boost型、buck-boost型、反激式拓扑中的任意一种。

14.一种用于功率变换器的关断时间控制方法，包括：