buck 架構(gòu)很常用且易于理解，但有局限性。如果我們將開關(guān)節(jié)點(diǎn)視為降壓 FET 的中點(diǎn)，則該節(jié)點(diǎn)將在整個(gè)輸入電壓和接地之間切換。這意味著輸出濾波器（輸出電感和電容）必須相對(duì)較大，這對(duì)于扁平應(yīng)用來說是有問題的。
　　為了解決這個(gè)問題，我們認(rèn)為答案是將功率轉(zhuǎn)換提升到一個(gè)新的水平，并引入多級(jí)功率轉(zhuǎn)換的概念。圖 1（ii） 所示的多電平降壓轉(zhuǎn)換器（在本例中為 3 電平）與傳統(tǒng)降壓轉(zhuǎn)換器密切相關(guān)，但擴(kuò)展了開關(guān)電平的數(shù)量。因此，設(shè)計(jì)師和客戶都有一定程度的熟悉度。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并不新鮮，傳統(tǒng)上用于更高輸入電壓和更高功率的應(yīng)用。然而，減小輸出電感的尺寸和高度并實(shí)現(xiàn)高水平的轉(zhuǎn)換效率的能力使該拓?fù)鋵?duì)具有苛刻薄型要求的低電壓應(yīng)用更具吸引力。　　與往常一樣，任何高級(jí)架構(gòu)都會(huì)帶來挑戰(zhàn)。開關(guān)數(shù)量的增加增加了控制和柵極驅(qū)動(dòng)電路的復(fù)雜性。本文在提供一些實(shí)際產(chǎn)品性能測(cè)量和數(shù)據(jù)之前，先介紹一些優(yōu)勢(shì)和解決一些挑戰(zhàn)的解決方案。

　　圖 1（i）。 Buck Converter-降壓轉(zhuǎn)換器。圖片由 Bodo's Power Systems 提供

　　圖 1（ii）。3 電平 Buck 轉(zhuǎn)換器。圖片由 Bodo's Power Systems 提供
　　多電平基礎(chǔ)知識(shí)：降壓與多電平降壓轉(zhuǎn)換
　　圖 1（i） 所示的傳統(tǒng)降壓轉(zhuǎn)換器被廣泛使用，但也存在一些局限性。降壓拓?fù)淇梢钥醋魇且粋€(gè) 2 電平降壓轉(zhuǎn)換器，其中開關(guān)節(jié)點(diǎn)（開關(guān) FET 的中心點(diǎn)）在兩個(gè)電平之間切換：輸入電壓和接地（或大約低于一個(gè)二極管壓降）。這意味著開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形會(huì)出現(xiàn)明顯的電壓偏移，需要一個(gè)大的輸出濾波器（輸出電感和輸出電容）來為輸出負(fù)載提供平滑的直流電壓。當(dāng)輸出電感中的電流反轉(zhuǎn)時(shí)，泄漏和寄生電感會(huì)進(jìn)一步增加電壓應(yīng)力。最終結(jié)果是設(shè)計(jì)人員必須選擇更高電壓的 FET，從而降低了轉(zhuǎn)換效率。
　　與標(biāo)準(zhǔn) Buck 轉(zhuǎn)換器相比，多電平 Buck 轉(zhuǎn)換器具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。圖 1（ii） 顯示了一個(gè) 3 電平降壓轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器的名稱來源于在三個(gè)電平之間切換的電感的開關(guān)節(jié)點(diǎn)。在 Buck 轉(zhuǎn)換器中，電感器開關(guān)節(jié)點(diǎn)在輸入電壓和接地或兩個(gè)電平之間切換。但在 3 電平降壓中，電感的開關(guān)節(jié)點(diǎn)可以在輸入電壓、接地或輸入電壓的一半之間切換。
　　額外的切換狀態(tài)提供了一些很大的優(yōu)勢(shì)。電感上看到的頻率是開關(guān) MOSFET 頻率的兩倍，因此電感更小。在標(biāo)準(zhǔn) buck 中，在充電狀態(tài)下電感兩端的電壓為 V在-V外.但在 3 電平中，它是 1/2 V在-V外，從而產(chǎn)生較低的電感紋波電流?！　≡诘湫偷慕祲恨D(zhuǎn)換器中，MOSFET 兩端的電壓為 V在.但在 3 電平降壓中，電壓為 1/2 V在.為了利用這一點(diǎn)，使用了低額定值的 MOSFET。MOSFET 的 Rds_on 大致與額定電壓的平方成正比。MOSFET 的較低額定電壓可以是 3 級(jí)降壓情況下的 1/4 Rds_on。

　　圖 2 顯示了連續(xù)導(dǎo)通模式作的 3 電平降壓的四種可能的開關(guān)狀態(tài)。在穩(wěn)態(tài)作期間，電感器開關(guān)節(jié)點(diǎn)在兩個(gè)電壓之間切換，就像標(biāo)準(zhǔn)降壓一樣。當(dāng)輸出電壓高于輸入電壓的 1/2 時(shí)，使用狀態(tài) 1、2 和 3。當(dāng)輸出電壓低于輸入電壓的 1/2 時(shí)，使用狀態(tài) 2、3 和 4。
　　狀態(tài) 2 和 3 保持浮動(dòng)電容器 C1 上的電壓平衡。為了保持電壓平衡，需要監(jiān)控飛電容器兩端的電壓。電壓由控制回路主動(dòng)平衡。
　　圖 3 顯示了連續(xù)導(dǎo)通模式下的 3 電平降壓電感電流和電感開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓，當(dāng) V外< 1/2 V在.如前所述，在 3 電平降壓中，開關(guān)節(jié)點(diǎn)在 1/2 V 之間切換在和 GND 的在電感充電期間，使用狀態(tài) 2 或 3。PWM 控制器邏輯根據(jù) fly capacitor 電壓選擇狀態(tài) 2 或 3。如果 fly capacitor 電壓太低，則選擇狀態(tài) 3。如果 fly capacitor 電壓過高，則選擇狀態(tài) 2。這使浮動(dòng)電容器上的電壓保持在 1/2 V在.
　　圖 4 顯示了連續(xù)導(dǎo)通模式下的 3 電平降壓電感電流和電感開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓，當(dāng) V外> 1/2 V在.狀態(tài) 2 和 3 再次用于平衡浮動(dòng)電容器上的電壓。
　　邁向新高度　　通過添加更多的 MOSFET 和飛線電容器，3 電平降壓轉(zhuǎn)換器可以擴(kuò)展到 4 電平或更多。增加更多電平的一個(gè)主要好處是降低 MOSFET 上的電壓應(yīng)力。使用 3 電平降壓時(shí)，MOSFET 的輸入電壓僅為其一半。使用 4 電平降壓時(shí)，MOSFET 的輸入電壓僅為 1/3。使用 5 電平降壓時(shí)，MOSFET 的輸入電壓為四分之一，依此類推。在 N 電平降壓轉(zhuǎn)換器中，MOSFET 電壓降低到 1/ （N-1）。這些更高的多電平降壓轉(zhuǎn)換器（如圖 5 所示）在具有較低額定 MOSFET 和較低開關(guān)損耗的高輸入電壓應(yīng)用中具有優(yōu)勢(shì)。

　　圖 2.3 電平降壓開關(guān)狀態(tài)。圖片由 Bodo's Power Systems 提供

　　圖 3.3 電平降壓穩(wěn)態(tài)波形 （當(dāng) V 時(shí)）外< 1/2 V在.圖片由 Bodo's Power Systems 提供 

　　圖 4.3 電平降壓穩(wěn)態(tài)波形 （當(dāng) V 時(shí)）外> 1/2 V在.圖片由 Bodo's Power Systems 提供

　　圖 5 （ii） 顯示了一個(gè) 4 電平降壓轉(zhuǎn)換器。4 電平降壓轉(zhuǎn)換器在 3 電平降壓轉(zhuǎn)換器中增加了兩個(gè) MOSFET 和一個(gè)飛線電容器。隨著 MOSFET 的增加和現(xiàn)在的四電平，4 電平降壓轉(zhuǎn)換器具有八種不同的可能開關(guān)狀態(tài)。
　　同樣，與 3 電平降壓一樣，飛電容器電壓需要有源平衡。每個(gè)飛線電容器上的電壓都受到監(jiān)控。當(dāng)輸入低于輸出電壓的 1/3 時(shí)，電感器開關(guān)節(jié)點(diǎn)在 0 V 和 1/3 V 之間切換在.為了保持飛電容的平衡，PWM 控制器在狀態(tài) 2、3 或 4 之間循環(huán)，如圖 6 所示?！　≡谛枰獙捿斎腚妷悍秶膽?yīng)用中，通過短路開關(guān)電平并優(yōu)化轉(zhuǎn)換效率，我們可以在高輸入電壓范圍內(nèi)以 4 電平運(yùn)行，在中低輸入范圍內(nèi)切換到 3 電平。這對(duì)于 5 V 至 20 V 的 USB 輸入設(shè)備特別有用。將 Q2 和 Q5 永久導(dǎo)通，將 Fly 電容器短接在一起，可將 4 電平轉(zhuǎn)換器變成 3 電平轉(zhuǎn)換器，如圖 7 所示。

　　圖 5 （i）。3 電平 Buck 轉(zhuǎn)換器。圖片由 Bodo's Power Systems 提供

　　圖 5 （ii）。 4 電平 Buck 轉(zhuǎn)換器。圖片由 Bodo's Power Systems 提供

　　圖 5 （iii）。N 電平降壓轉(zhuǎn)換器。圖片由 Bodo's Power Systems 提供 
　　混合轉(zhuǎn)換
　　一般來說，非穩(wěn)壓電荷泵或開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器比傳統(tǒng)的穩(wěn)壓降壓轉(zhuǎn)換器提供更高的效率。請(qǐng)注意，多電平轉(zhuǎn)換器可以轉(zhuǎn)換為電荷泵并運(yùn)行。例如，3 電平降壓轉(zhuǎn)換器可以配置為使用相同 FET 結(jié)構(gòu)的 2 分頻電荷泵運(yùn)行。　　圖 8 顯示了 （i） 2 分頻電荷泵與 （ii） 3 電平降壓轉(zhuǎn)換器的比較。3 電平 Buck 轉(zhuǎn)換器中的電感器用于調(diào)節(jié)。移除 3 電平 Buck 轉(zhuǎn)換器中的電感，將其轉(zhuǎn)換為 2 分頻電荷泵。電荷泵通常不需要輸出電感器即可工作。

　　圖 6.4 級(jí)降壓開關(guān)狀態(tài)。圖片由 Bodo's Power Systems 提供

　　圖 7.4 電平降壓轉(zhuǎn)換到 3 電平降壓。圖片由 Bodo's Power Systems 提供 
　　然而，pSemi 已經(jīng)開發(fā)了使用小的絕熱輸出電感的電荷泵架構(gòu)。添加電感可以消除 Fly 電容器中的電荷再分配損耗。在電荷泵中，電容器通常與其他電容器并聯(lián)或串聯(lián)切換，從而導(dǎo)致電荷再分配損耗。絕熱電感允許電流在電容器之間諧振，從而消除電荷再分配損耗并提高電荷泵效率。
　　如果輸出電感器足夠小，可以滿足電荷泵的絕熱性能，則可以采用這種方案。由于前面提到的原因，多電平轉(zhuǎn)換器可以實(shí)現(xiàn)較低的輸出電感。因此，該架構(gòu)可以在多電平模式和電荷泵模式之間切換，以形成適應(yīng)性強(qiáng)的混合轉(zhuǎn)換器。
　　通過從 3 電平降壓作切換到電荷泵作，我們使降壓電感器與輸出串聯(lián)?？刂茝?3 電平降壓模式的標(biāo)準(zhǔn) PWM 控制更改為電荷泵控制。在電荷泵控制中（見圖 2），監(jiān)控 Fly 電容器 C1 的電壓。使用開關(guān)狀態(tài) 2 和 3。當(dāng) fly 電容器電壓過低時(shí)，控制器切換到狀態(tài) 3。當(dāng) Fly 電容器電壓過高時(shí)，控制器切換到狀態(tài) 2?！　⊥瑯?，4 電平降壓轉(zhuǎn)換器可以用作 3 分頻電荷泵。圖 9 顯示了一個(gè) 3 分頻電荷泵和 4 電平降壓轉(zhuǎn)換器。在電荷泵模式下，兩個(gè) fly 電容器都受到監(jiān)控，以保持每個(gè)電容器上的正確電壓。狀態(tài) 2、3 和 4 使 C1 保持以輸入電壓的 1/3 充電，將 C2 保持在輸入電壓的 2/3 處充電。

　　圖 8 （i）。Divide-by-2 電荷泵。圖片由 Bodo's Power Systems 提供

　　圖 8 （ii）。3 電平 Buck 轉(zhuǎn)換器。圖片由 Bodo's Power Systems 提供 
　　當(dāng)工作在電荷泵模式下時(shí)，4 電平降壓電感器與電荷泵輸出串聯(lián)。由于開關(guān)節(jié)點(diǎn)紋波小，因此電感紋波電流非常小。電感器以 3 除法執(zhí)行絕熱函數(shù)，如前所述為 2 除法。
　　從理論到實(shí)踐　　本節(jié)顯示了多電平轉(zhuǎn)換器的真實(shí)波形，能夠在 4.5V 至 18V 的寬輸入范圍內(nèi)工作。該器件可以在 4 電平模式降壓模式下工作，通常在較高的輸入電壓下使用，也可以在 3 電平降壓模式下工作，通常用于中低輸入電壓。如上一節(jié)所述，該器件可以在電荷泵、電容分壓器模式下工作，分壓比為 2 和 3。使用 1 mm 高的電感器，在所有模式下傳輸?shù)碾娏鞲哌_(dá) 6A。

　　圖 9 （i）。 3 除壓電荷泵。圖片由 Bodo's Power Systems 提供 

　　圖 9 （ii）。4 電平 Buck 轉(zhuǎn)換器。圖片由 Bodo's Power Systems 提供　　圖 10 顯示了 3 電平模式下的作。在圖 10 （i） 中，V在到 V外ratio 小于 0.5。因此，F(xiàn)ET/電感器節(jié)點(diǎn)在 0 和 1/2 * V 之間切換在.在圖 10 （ii） 中，V在降至 6V。現(xiàn)在是 V在到 V外ratio 大于 0.5。因此，該器件在 1/2* V 之間切換在和 V在.

　　圖 10 （i）。3 電平 - 下半部分：12V在帶 4.5V外開關(guān)節(jié)點(diǎn)在 0 到 1/2*V 之間移動(dòng)在.圖片由 Bodo's Power Systems 提供

　　圖 11 顯示了在 4 電平模式下工作的器件，輸入電壓從 （i）18V 變?yōu)?（ii） 12V，然后變?yōu)?（iii） 6V在輸入。這會(huì)在每個(gè)電平上練習(xí)轉(zhuǎn)換器，但在所有情況下，我們可以看到 switch 節(jié)點(diǎn)上的電壓偏移始終是輸入電壓的三分之一。

　　圖 11 （i）。4 電平 - 下橫欄：18VIN 和 4.5V外開關(guān)節(jié)點(diǎn)在 0 到 1/3* V 之間移動(dòng)在.圖片由 Bodo's Power Systems 提供 

　　圖 11 （ii）。4 電平 – 中間三分之一：12VIN 和 4.5V外開關(guān)節(jié)點(diǎn)在 1/3* V 之間移動(dòng)在至 2/3 *V在.圖片由 Bodo's Power Systems 提供

　　圖 11 （iii）。4 電平 - 上橫欄：6VIN 和 4.5V外開關(guān)節(jié)點(diǎn)在 2/3*V 之間移動(dòng)在到 V在.圖片由 Bodo's Power Systems 提供 [PDF]
　　結(jié)論
　　多級(jí)降壓轉(zhuǎn)換的概念并不新鮮，多年來一直應(yīng)用于更高電壓和功率的設(shè)備中。然而，智能手機(jī)等小型、扁平應(yīng)用對(duì)高功率傳輸?shù)男枨笫沟枚嗉?jí)用途更具吸引力。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有許多優(yōu)勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)了更小、更扁平的輸出電感器，并使用較低電壓的 FET 以實(shí)現(xiàn)更高的效率。與所有高級(jí)電源架構(gòu)一樣，必須應(yīng)用額外的復(fù)雜性和控制技術(shù)，但盲區(qū)作和飛電容平衡等問題是可以解決的。
　　多電平方法在智能手機(jī)應(yīng)用中特別有吸引力，因?yàn)榻鉀Q方案的高度預(yù)計(jì)為 <1 mm。該拓?fù)淇梢蕴峁└咝屎透吖β蕚鬏?，以提?a target="_blank">電池充電速度，并為在較低電源電壓下需要更高電流的 10 nm 以下處理器 ASIC 提供高電流。
　　智能手機(jī)行業(yè)面臨的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是支持大量新的和傳統(tǒng)的“有線”和“無線”充電電壓要求。多電平方法可以根據(jù)所呈現(xiàn)的輸入電壓類型進(jìn)行調(diào)整和轉(zhuǎn)換。如果輸入適配器固定為 USB_PD （power delivery），則將其作為多電平降壓轉(zhuǎn)換器啟用。根據(jù)輸入電壓幅度，這可以實(shí)現(xiàn)為 4 電平、3 電平或 2 電平。如果適配器類型為 PPS 并提供可變輸入電壓，則多電平轉(zhuǎn)換器可以用作電容分壓器電荷泵。確實(shí)，這是一個(gè)智能的混合架構(gòu)。
　　pSemi-Murata 開發(fā)了業(yè)界首款能夠工作到四電平的多電平轉(zhuǎn)換器，并作為能夠提供大電流的電荷泵電容器分壓器。pSemi 將在本周的 APEC 2025 上首次展示用于移動(dòng)平臺(tái)功率轉(zhuǎn)換的混合 4 電平降壓和電荷泵轉(zhuǎn)換器?；谶^去 13 年開發(fā)的大量知識(shí)產(chǎn)權(quán)，并源自麻省理工學(xué)院的專利，pSemi 現(xiàn)在能夠展示將電源轉(zhuǎn)換提升到新水平的產(chǎn)品。