三級(jí)降壓轉(zhuǎn)換器的工作原理

三級(jí)降壓轉(zhuǎn)換器(3-Level Buck Converter)是在傳統(tǒng)2-Level Buck拓?fù)涞幕A(chǔ)上， 加入了Cfly電容以和兩顆MOS。通過(guò)在輸入電壓減半的條件下保持飛跨電容平衡，開關(guān)節(jié)點(diǎn)VSW會(huì)顯示為 VIN、VIN/2 和0三種電平，因此得名三級(jí)降壓轉(zhuǎn)換器。如圖1為2-Level和3Level Buck的拓補(bǔ)圖對(duì)比。

傳統(tǒng)的2-Level Buck無(wú)論輸入和輸出電壓比值是多少，Vsw點(diǎn)電壓始終在VIN和0電平之間切換。對(duì)于3-Level Buck而言，當(dāng)輸入電壓高于兩倍的輸出電壓時(shí)(即占空比D<50%)，Vsw電壓會(huì)在0和VIN/2之間進(jìn)行交替。反之，當(dāng)輸入電壓低于兩倍的輸出電壓時(shí)(即占空比D>50%)，Vsw電壓將在VIN 和VIN/2之間進(jìn)行交替。 如圖2所示VSW節(jié)點(diǎn)電壓交替示意圖。

現(xiàn)在讓我們看一下在上述兩種情形下開關(guān)是怎樣驅(qū)動(dòng)的。當(dāng)VIN>2*Vout。此時(shí)，Vsw會(huì)在VIN/2和0電平之間交替運(yùn)行，如圖3所示。該周期包括四個(gè)階段：

第一階段，打開Q1和Q3，VIN對(duì)Cfly電容充電至Vsw=VIN/2，因?yàn)檩敵鲭妷旱陀赩sw電壓，電感也一直在充電，電感電流逐步上升;

第二階段，Q1關(guān)斷Q4開啟，Vsw接地，電感電流逐步降低，此時(shí)Cfly電容通路斷開，電壓保持;

第三階段，Q3關(guān)斷Q2開啟，此時(shí)Cfly電容對(duì)電感充電，電感電流逐步上升，Vsw=Vfly=VIN/2;

第四階段，Q2關(guān)斷Q3開啟，Vsw接地，電感電流逐步降低。之后再重復(fù)循環(huán)上述周期。

當(dāng)輸入電壓降低，控制器會(huì)自動(dòng)延長(zhǎng)第一階段和第三階段的持續(xù)時(shí)間，即增加占空比，從而提供穩(wěn)壓輸出電壓。 這一機(jī)制能夠減少電感器的電流紋波，直至電流紋波降至最小值，此時(shí)VIN=2*Vout。此時(shí)，Vsw始終保持在VIN/2，而控制器在第一階段和第三階段間變化，從而實(shí)現(xiàn)每個(gè)周期中Cfly電容的充電和放電。如圖4所示。

隨著輸入電壓持續(xù)降低，控制器會(huì)不斷增加占空比， 直到Q1和Q2在同一時(shí)段開啟。當(dāng)VIN<2*Vout，與VIN>2*Vout狀態(tài)類似，控制器會(huì)進(jìn)行以下交替操作給Cfly充電 、Cfly電容斷開連接、Cfly電容充給電感充電、 Cfly電容再次斷開連接。如圖5所示。

以上就是3-Level Buck在各種場(chǎng)景下工作流程，從中我們可以知道，較傳統(tǒng)的2-Level Buck，3-Level Buck降低了所有操作模式下電感器和開關(guān)上的電壓應(yīng)力，Vsw處的開關(guān)頻率增加一倍，那么如下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)就明顯體現(xiàn)出來(lái)了：

1、電感器最大電流紋波降低至2-Level Buck的四分之一，同等情況下，輸出電壓紋波也會(huì)更低。

2、電感值通過(guò)電流紋波來(lái)選擇，所以更小的電流紋波對(duì)應(yīng)更小的電感值，尺寸也將降低，布局空間更有優(yōu)勢(shì)。

3、3-Level-Buck中的開關(guān)只需VIN/2， 這有助于減少開關(guān)變換過(guò)程中的開關(guān)損耗。

綜上優(yōu)勢(shì)，目前業(yè)內(nèi)如TI、高通等公司3-Level Buck效率較傳統(tǒng)2-Level Buck提升了5%以上。