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。
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