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三級降壓轉換器的工作原理

CHANBAEK ? 來源:工程師說硬件 ? 作者:奔跑的蝸牛 ? 2023-03-13 15:04 ? 次閱讀

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。

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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節點電壓交替示意圖。

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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。之后再重復循環上述周期。

poYBAGQOyliANDZ5AAIWzLWrfzY292.png

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時間,即增加占空比,從而提供穩壓輸出電壓。 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。

pYYBAGQOym-ALZh9AAFSqEYvtPw994.png

隨著輸入電壓持續降低,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。

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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。

綜上優勢,目前業內如TI高通公司3-Level Buck效率較傳統2-Level Buck提升了5%以上。

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