AMAT 0100-71267 将功率转换提升到一个新的水平

　　虽然多级降压转换已在较高电压和功率器件中应用多年，但智能手机等小型、薄型应用对高功率传输的需求使得多级转换更具吸引力。

　　许多移动电子产品需要更小尺寸的解决方案，同时对功耗的要求也越来越高。对于低配置智能手机和平板电脑等消费和移动设备来说尤其如此——有时被描述为PCB板、天线和互连的3D拼图。与此同时，电池充电速度不断提高，核心处理器向更精细的硅迈进，具有低电压电源要求和不断增加的电流。

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　　传统上，功率转换基于降压转换器，如图1 (i)所示。降压架构是一种常用且广为人知的架构，但有其局限性。如果我们将开关节点视为降压fet的中点，则该节点在整个输入电压和地之间切换。这意味着输出滤波器——输出电感和电容——必须相对较大，这对于薄型应用来说是个问题。

　　为了解决这个问题，我们认为答案是将功率转换提高到下一个水平，并引入多级功率转换的概念。图1(ii)所示的多电平降压转换器(本例中为3电平)与传统降压转换器密切相关，但增加了开关电平的数量。因此，设计师和顾客都有一定程度的熟悉。这种拓扑结构并不新颖，传统上用于更高输入电压和更高功率的应用。然而，由于能够减小输出电感的尺寸和高度，并实现高水平的转换效率，这种拓扑结构对要求苛刻的低剖面低压应用更具吸引力。

　　一如既往，任何高级架构都会带来挑战。开关数量的增加增加了控制和栅极驱动电路的复杂性。本文在提供一些真实的产品性能测量和数据之前，讨论了一些优势和一些挑战的解决方案。

　　图一㈠。降压转换器。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　图1(二)。三电平降压转换器。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　多电平基础:降压转换器与多电平降压转换器

　　传统的降压转换器如图1(i)所示，被广泛使用，但有一些局限性。降压拓扑可视为一个2电平降压转换器，其开关节点(开关FET的中点)在两个电平之间切换:输入电压和地(或大约低一个二极管压降)。这意味着开关节点波形会出现显著的电压偏移，需要一个大输出滤波器——输出电感和输出电容——为输出负载提供平滑的DC电压。当输出电感中的电流反向时，泄漏和寄生电感会进一步增加电压应力。最终结果是，设计人员必须选择更高电压的fet，从而降低转换效率。

　　与标准降压转换器相比，多电平降压转换器有几个优点。图1(ii)显示了一个三电平降压转换器。转换器的名称来源于在三个电平之间切换的电感的开关节点。在降压转换器中，电感开关节点在输入电压和地之间切换，或在两个电平之间切换。但在3电平降压转换器中，电感的开关节点可以在输入电压、地电压或一半输入电压之间切换。

　　额外的开关状态提供了一些很大的优势。电感上的频率是开关MOSFETs频率的两倍，因此电感更小。在标准降压转换器中，充电状态下电感两端的电压为V在…里-V在外。但是在3级中，它是V在…里-V在外，产生较低的电感纹波电流。

　　在典型的降压转换器中，MOSFETs两端的电压为V在…里。但在三电平降压转换器中，电压为V在…里。为了利用这一点，使用较低额定值的MOSFETs。MOSFET的Rds_on大致与额定电压的平方成比例。在三电平降压器的情况下，MOSFETs的较低额定电压可以具有Rds_on。

　　图2显示了连续导通工作模式下三电平降压转换器的四种可能的开关状态。稳态工作期间，电感开关节点在两种电压之间切换，就像标准降压转换器一样。当输出电压高于输入电压时，使用状态1、2和3。当输出电压低于输入电压时，使用状态2、3和4。

　　状态2和3保持快速电容器C1上的电压平衡。为了保持电压平衡，监控快速电容器两端的电压。电压由控制回路主动平衡。

　　图3显示了连续导通模式下的3电平降压电感电流和电感开关节点电压在外 < ½ V在…里。如前所述，在三电平降压转换器中，开关节点在V在…里还有GND。电感充电期间，使用状态2或3。PWM控制器逻辑根据快速电容器电压选择状态2或3。如果快速电容器电压太低，则选择状态3。如果快速电容器电压过高，则选择状态2。这使快速电容器上的电压保持在V在…里.

　　图4显示了连续导通模式下的3电平降压电感电流和电感开关节点电压在外>五在…里。再次使用状态2和3来平衡快速电容器上的电压。

　　进入下一阶段

　　通过添加更多的MOSFETs和快速电容，3电平降压转换器可以扩展到4电平或更多。增加更多电平的主要好处是降低MOSFETs上的电压应力。对于三电平降压器，MOSFETS看到的是一半的输入电压。对于4级降压转换器，MOSFETs看到的是三分之一的输入电压。对于5级降压转换器，MOSFETs看到的是输入电压的四分之一，依此类推。在N电平降压转换器中，MOSFET电压降至1/ (N-1)。如图5所示，这些较高的多电平降压转换器在高输入电压应用中具有优势，具有较低额定MOSFETs和较低开关损耗。

　　图二。3级降压开关状态。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　图3。V时的3电平降压稳态波形在外 < ½ V在…里。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　图4。V时的3电平降压稳态波形在外>五在…里。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　图5 (ii)显示了一个4电平降压转换器。4电平降压转换器在3电平降压转换器上增加了两个MOSFETS和一个快速电容。随着MOSFETs的增加，现在有四个电平，4电平降压转换器有八种不同的可能开关状态。

　　同样，与三电平降压转换器一样，快速电容电压需要主动平衡。监控每个快速电容器上的电压。当输入低于输出电压的三分之一时，电感开关节点在0至1/3 V之间切换在…里。为了保持快速电容平衡，PWM控制器在状态2、3或4之间循环，如图6所示。

　　在需要宽范围输入电压的应用中，我们可以在四个电平下运行高输入电压范围，并通过短路一级开关和优化转换效率，切换到三个电平下运行中低输入范围。这对于范围为5 V至20 V的USB输入设备尤其有用，通过让Q2和Q5永久导通来短路快速电容，可以将4电平转换器转换为3电平转换器，如图7所示。

　　图五㈠。三电平降压转换器。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　图5㈡。4电平降压转换器。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　图5(三)。n电平降压转换器。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　混合转换

　　一般来说，非稳压电荷泵或开关电容转换器比传统的稳压降压转换器效率更高。请注意，多电平转换器可以作为电荷泵进行转换和操作。例如，使用相同的FET结构，可以将3电平降压转换器配置为2分频电荷泵。

　　图8显示了(I)二分频电荷泵与(ii)三电平降压转换器的对比。三电平降压转换器中的电感用于调节。移除三电平降压转换器中的电感，可将其转换为二分频电荷泵。电荷泵通常不需要输出电感来工作。

　　图6。4级降压开关状态。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　图7。4电平降压转换为3电平降压。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　然而，pSemi已经开发出使用小的绝热输出电感的电荷泵架构。增加一个电感可以消除快速电容中的电荷再分布损耗。在电荷泵中，电容器通常与其他电容器并联或串联切换，导致电荷重新分布损失。绝热电感允许电流在电容之间谐振，消除电荷再分配损耗，提高电荷泵效率。

　　如果输出电感足够小，能够满足电荷泵的绝热性能，则可以采用这种方案。由于前面提到的原因，多电平转换器可以实现较低的输出电感。因此，该架构可以在多电平模式和电荷泵模式之间切换，以形成可适应的混合转换器。

　　通过从3电平降压操作切换到电荷泵操作，我们保持降压电感与输出串联。控制从3电平降压模式下的标准PWM控制变为电荷泵控制。在电荷泵控制中(见图2)，快速电容C1的电压受到监控。使用开关状态2和3。当快速电容器电压过低时，控制器切换到状态3。当快速电容器电压过高时，控制器切换到状态2。

　　同样，4电平降压转换器可以作为3分频电荷泵工作。图9显示了3分频电荷泵和4电平降压转换器。在电荷泵模式下，监控两个快速电容，以保持每个电容上的正确电压。状态2、3和4保持C1充电到输入电压的三分之一，C2充电到输入电压的三分之二。