三級降壓轉換器的工作原理

三級降壓轉換器(3-Level Buck Converter)是在傳統2-Level Buck拓撲的基礎上， 加入了Cfly電容以和兩顆MOS。通過在輸入電壓減半的條件下保持飛跨電容平衡，開關節(jié)點VSW會顯示為 VIN、VIN/2 和0三種電平，因此得名三級降壓轉換器。如圖1為2-Level和3Level Buck的拓補圖對比。

傳統的2-Level Buck無論輸入和輸出電壓比值是多少，Vsw點電壓始終在VIN和0電平之間切換。對于3-Level Buck而言，當輸入電壓高于兩倍的輸出電壓時(即占空比D<50%)，Vsw電壓會在0和VIN/2之間進行交替。反之，當輸入電壓低于兩倍的輸出電壓時(即占空比D>50%)，Vsw電壓將在VIN 和VIN/2之間進行交替。 如圖2所示VSW節(jié)點電壓交替示意圖。

現在讓我們看一下在上述兩種情形下開關是怎樣驅動的。當VIN>2*Vout。此時，Vsw會在VIN/2和0電平之間交替運行，如圖3所示。該周期包括四個階段：

第一階段，打開Q1和Q3，VIN對Cfly電容充電至Vsw=VIN/2，因為輸出電壓低于Vsw電壓，電感也一直在充電，電感電流逐步上升;

第二階段，Q1關斷Q4開啟，Vsw接地，電感電流逐步降低，此時Cfly電容通路斷開，電壓保持;

第三階段，Q3關斷Q2開啟，此時Cfly電容對電感充電，電感電流逐步上升，Vsw=Vfly=VIN/2;

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

當輸入電壓降低，控制器會自動延長第一階段和第三階段的持續(xù)時間，即增加占空比，從而提供穩(wěn)壓輸出電壓。 這一機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VIN=2*Vout。此時，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，從而實現每個周期中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，控制器會不斷增加占空比， 直到Q1和Q2在同一時段開啟。當VIN<2*Vout，與VIN>2*Vout狀態(tài)類似，控制器會進行以下交替操作給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在各種場景下工作流程，從中我們可以知道，較傳統的2-Level Buck，3-Level Buck降低了所有操作模式下電感器和開關上的電壓應力，Vsw處的開關頻率增加一倍，那么如下幾個優(yōu)勢就明顯體現出來了：

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，輸出電壓紋波也會更低。

2、電感值通過電流紋波來選擇，所以更小的電流紋波對應更小的電感值，尺寸也將降低，布局空間更有優(yōu)勢。

3、3-Level-Buck中的開關只需VIN/2， 這有助于減少開關變換過程中的開關損耗。

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