三级降压转换器的工作原理

三级降压转换器(3-Level Buck Converter)是在传统2-Level Buck拓扑的基础上， 加入了Cfly电容以和两颗MOS。通过在输入电压减半的条件下保持飞跨电容平衡，开关节点VSW会显示为 VIN、VIN/2 和0三种电平，因此得名三级降压转换器。如图1为2-Level和3Level Buck的拓补图对比。

传统的2-Level Buck无论输入和输出电压比值是多少，Vsw点电压始终在VIN和0电平之间切换。对于3-Level Buck而言，当输入电压高于两倍的输出电压时(即占空比D<50%)，Vsw电压会在0和VIN/2之间进行交替。反之，当输入电压低于两倍的输出电压时(即占空比D>50%)，Vsw电压将在VIN 和VIN/2之间进行交替。 如图2所示VSW节点电压交替示意图。

现在让我们看一下在上述两种情形下开关是怎样驱动的。当VIN>2*Vout。此时，Vsw会在VIN/2和0电平之间交替运行，如图3所示。该周期包括四个阶段：

第一阶段，打开Q1和Q3，VIN对Cfly电容充电至Vsw=VIN/2，因为输出电压低于Vsw电压，电感也一直在充电，电感电流逐步上升;

第二阶段，Q1关断Q4开启，Vsw接地，电感电流逐步降低，此时Cfly电容通路断开，电压保持;

第三阶段，Q3关断Q2开启，此时Cfly电容对电感充电，电感电流逐步上升，Vsw=Vfly=VIN/2;

第四阶段，Q2关断Q3开启，Vsw接地，电感电流逐步降低。之后再重复循环上述周期。

当输入电压降低，控制器会自动延长第一阶段和第三阶段的持续时间，即增加占空比，从而提供稳压输出电压。 这一机制能够减少电感器的电流纹波，直至电流纹波降至最小值，此时VIN=2*Vout。此时，Vsw始终保持在VIN/2，而控制器在第一阶段和第三阶段间变化，从而实现每个周期中Cfly电容的充电和放电。如图4所示。

随着输入电压持续降低，控制器会不断增加占空比， 直到Q1和Q2在同一时段开启。当VIN<2*Vout，与VIN>2*Vout状态类似，控制器会进行以下交替操作给Cfly充电 、Cfly电容断开连接、Cfly电容充给电感充电、 Cfly电容再次断开连接。如图5所示。

以上就是3-Level Buck在各种场景下工作流程，从中我们可以知道，较传统的2-Level Buck，3-Level Buck降低了所有操作模式下电感器和开关上的电压应力，Vsw处的开关频率增加一倍，那么如下几个优势就明显体现出来了：

1、电感器最大电流纹波降低至2-Level Buck的四分之一，同等情况下，输出电压纹波也会更低。

2、电感值通过电流纹波来选择，所以更小的电流纹波对应更小的电感值，尺寸也将降低，布局空间更有优势。

3、3-Level-Buck中的开关只需VIN/2， 这有助于减少开关变换过程中的开关损耗。

综上优势，目前业内如TI、高通等公司3-Level Buck效率较传统2-Level Buck提升了5%以上。