buck 架构很常用且易于理解，但有局限性。如果我们将开关节点视为降压 FET 的中点，则该节点将在整个输入电压和接地之间切换。这意味着输出滤波器（输出电感和电容）必须相对较大，这对于扁平应用来说是有问题的。
　　为了解决这个问题，我们认为答案是将功率转换提升到一个新的水平，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（在本例中为 3 电平）与传统降压转换器密切相关，但扩展了开关电平的数量。因此，设计师和客户都有一定程度的熟悉度。这种拓扑结构并不新鲜，传统上用于更高输入电压和更高功率的应用。然而，减小输出电感的尺寸和高度并实现高水平的转换效率的能力使该拓扑对具有苛刻薄型要求的低电压应用更具吸引力。

　　与往常一样，任何架构都会带来挑战。开关数量的增加增加了控制和栅极驱动电路的复杂性。本文在提供一些实际产品性能测量和数据之前，先介绍一些优势和解决一些挑战的解决方案。

　　图 1（i）。 Buck Converter-降压转换器。图片由 Bodo's Power Systems 提供

　　图 1（ii）。3 电平 Buck 转换器。图片由 Bodo's Power Systems 提供
　　多电平基础知识：降压与多电平降压转换
　　图 1（i） 所示的传统降压转换器被广泛使用，但也存在一些局限性。降压拓扑可以看作是一个 2 电平降压转换器，其中开关节点（开关 FET 的中心点）在两个电平之间切换：输入电压和接地（或大约低于一个二极管压降）。这意味着开关节点波形会出现明显的电压偏移，需要一个大的输出滤波器（输出电感和输出电容）来为输出负载提供平滑的直流电压。当输出电感中的电流反转时，泄漏和寄生电感会进一步增加电压应力。终结果是设计人员必须选择更高电压的 FET，从而降低了转换效率。
　　与标准 Buck 转换器相比，多电平 Buck 转换器具有多项优势。图 1（ii） 显示了一个 3 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 Buck 转换器中，电感器开关节点在输入电压和接地或两个电平之间切换。但在 3 电平降压中，电感的开关节点可以在输入电压、接地或输入电压的一半之间切换。
　　额外的切换状态提供了一些很大的优势。电感上看到的频率是开关 MOSFET 频率的两倍，因此电感更小。在标准 buck 中，在充电状态下电感两端的电压为 V在-V外.但在 3 电平中，它是 1/2 V在-V外，从而产生较低的电感纹波电流。

　　在典型的降压转换器中，MOSFET 两端的电压为 V在.但在 3 电平降压中，电压为 1/2 V在.为了利用这一点，使用了低额定值的 MOSFET。MOSFET 的 Rds_on 大致与额定电压的平方成正比。MOSFET 的较低额定电压可以是 3 级降压情况下的 1/4 Rds_on。

　　图 2 显示了连续导通模式作的 3 电平降压的四种可能的开关状态。在稳态作期间，电感器开关节点在两个电压之间切换，就像标准降压一样。当输出电压高于输入电压的 1/2 时，使用状态 1、2 和 3。当输出电压低于输入电压的 1/2 时，使用状态 2、3 和 4。
　　状态 2 和 3 保持浮动电容器 C1 上的电压平衡。为了保持电压平衡，需要监控飞电容器两端的电压。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，当 V外< 1/2 V在.如前所述，在 3 电平降压中，开关节点在 1/2 V 之间切换在和 GND 的在电感充电期间，使用状态 2 或 3。PWM 控制器逻辑根据 fly capacitor 电压选择状态 2 或 3。如果 fly capacitor 电压太低，则选择状态 3。如果 fly capacitor 电压过高，则选择状态 2。这使浮动电容器上的电压保持在 1/2 V在.
　　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，当 V外> 1/2 V在.状态 2 和 3 再次用于平衡浮动电容器上的电压。
　　迈向新高度

　　通过添加更多的 MOSFET 和飞线电容器，3 电平降压转换器可以扩展到 4 电平或更多。增加更多电平的一个主要好处是降低 MOSFET 上的电压应力。使用 3 电平降压时，MOSFET 的输入电压仅为其一半。使用 4 电平降压时，MOSFET 的输入电压仅为 1/3。使用 5 电平降压时，MOSFET 的输入电压为四分之一，依此类推。在 N 电平降压转换器中，MOSFET 电压降低到 1/ （N-1）。这些更高的多电平降压转换器（如图 5 所示）在具有较低额定 MOSFET 和较低开关损耗的高输入电压应用中具有优势。

　　图 2.3 电平降压开关状态。图片由 Bodo's Power Systems 提供

　　图 3.3 电平降压稳态波形 （当 V 时）外< 1/2 V在.图片由 Bodo's Power Systems 提供 

　　图 4.3 电平降压稳态波形 （当 V 时）外> 1/2 V在.图片由 Bodo's Power Systems 提供

　　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 电平降压转换器中增加了两个 MOSFET 和一个飞线电容器。随着 MOSFET 的增加和现在的四电平，4 电平降压转换器具有八种不同的可能开关状态。
　　同样，与 3 电平降压一样，飞电容器电压需要有源平衡。每个飞线电容器上的电压都受到监控。当输入低于输出电压的 1/3 时，电感器开关节点在 0 V 和 1/3 V 之间切换在.为了保持飞电容的平衡，PWM 控制器在状态 2、3 或 4 之间循环，如图 6 所示。

　　在需要宽输入电压范围的应用中，通过短路开关电平并优化转换效率，我们可以在高输入电压范围内以 4 电平运行，在中低输入范围内切换到 3 电平。这对于 5 V 至 20 V 的 USB 输入设备特别有用。将 Q2 和 Q5 导通，将 Fly 电容器短接在一起，可将 4 电平转换器变成 3 电平转换器，如图 7 所示。

　　图 5 （i）。3 电平 Buck 转换器。图片由 Bodo's Power Systems 提供

　　图 5 （ii）。 4 电平 Buck 转换器。图片由 Bodo's Power Systems 提供

　　图 5 （iii）。N 电平降压转换器。图片由 Bodo's Power Systems 提供 
　　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提供更高的效率。请注意，多电平转换器可以转换为电荷泵并运行。例如，3 电平降压转换器可以配置为使用相同 FET 结构的 2 分频电荷泵运行。

　　图 8 显示了 （i） 2 分频电荷泵与 （ii） 3 电平降压转换器的比较。3 电平 Buck 转换器中的电感器用于调节。移除 3 电平 Buck 转换器中的电感，将其转换为 2 分频电荷泵。电荷泵通常不需要输出电感器即可工作。

　　图 6.4 级降压开关状态。图片由 Bodo's Power Systems 提供

　　图 7.4 电平降压转换到 3 电平降压。图片由 Bodo's Power Systems 提供 
　　然而，pSemi 已经开发了使用小的绝热输出电感的电荷泵架构。添加电感可以消除 Fly 电容器中的电荷再分配损耗。在电荷泵中，电容器通常与其他电容器并联或串联切换，从而导致电荷再分配损耗。绝热电感允许电流在电容器之间谐振，从而消除电荷再分配损耗并提高电荷泵效率。
　　如果输出电感器足够小，可以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，以形成适应性强的混合转换器。
　　通过从 3 电平降压作切换到电荷泵作，我们使降压电感器与输出串联。控制从 3 电平降压模式的标准 PWM 控制更改为电荷泵控制。在电荷泵控制中（见图 2），监控 Fly 电容器 C1 的电压。使用开关状态 2 和 3。当 fly 电容器电压过低时，控制器切换到状态 3。当 Fly 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用作 3 分频电荷泵。图 9 显示了一个 3 分频电荷泵和 4 电平降压转换器。在电荷泵模式下，两个 fly 电容器都受到监控，以保持每个电容器上的正确电压。状态 2、3 和 4 使 C1 保持以输入电压的 1/3 充电，将 C2 保持在输入电压的 2/3 处充电。

　　图 8 （i）。Divide-by-2 电荷泵。图片由 Bodo's Power Systems 提供

　　图 8 （ii）。3 电平 Buck 转换器。图片由 Bodo's Power Systems 提供 
　　当工作在电荷泵模式下时，4 电平降压电感器与电荷泵输出串联。由于开关节点纹波小，因此电感纹波电流非常小。电感器以 3 除法执行绝热函数，如前所述为 2 除法。
　　从理论到实践

　　本节显示了多电平转换器的真实波形，能够在 4.5V 至 18V 的宽输入范围内工作。该器件可以在 4 电平模式降压模式下工作，通常在较高的输入电压下使用，也可以在 3 电平降压模式下工作，通常用于中低输入电压。如上一节所述，该器件可以在电荷泵、电容分压器模式下工作，分压比为 2 和 3。使用 1 mm 高的电感器，在所有模式下传输的电流高达 6A。

　　图 9 （i）。 3 除压电荷泵。图片由 Bodo's Power Systems 提供 

　　图 9 （ii）。4 电平 Buck 转换器。图片由 Bodo's Power Systems 提供

　　图 10 显示了 3 电平模式下的作。在图 10 （i） 中，V在到 V外ratio 小于 0.5。因此，FET/电感器节点在 0 和 1/2 * V 之间切换在.在图 10 （ii） 中，V在降至 6V。现在是 V在到 V外ratio 大于 0.5。因此，该器件在 1/2* V 之间切换在和 V在.

　　图 10 （i）。3 电平 - 下半部分：12V在带 4.5V外开关节点在 0 到 1/2*V 之间移动在.图片由 Bodo's Power Systems 提供

　　图 11 显示了在 4 电平模式下工作的器件，输入电压从 （i）18V 变为 （ii） 12V，然后变为 （iii） 6V在输入。这会在每个电平上练习转换器，但在所有情况下，我们可以看到 switch 节点上的电压偏移始终是输入电压的三分之一。

　　图 11 （i）。4 电平 - 下横栏：18VIN 和 4.5V外开关节点在 0 到 1/3* V 之间移动在.图片由 Bodo's Power Systems 提供 

　　图 11 （ii）。4 电平 – 中间三分之一：12VIN 和 4.5V外开关节点在 1/3* V 之间移动在至 2/3 *V在.图片由 Bodo's Power Systems 提供

　　图 11 （iii）。4 电平 - 上横栏：6VIN 和 4.5V外开关节点在 2/3*V 之间移动在到 V在.图片由 Bodo's Power Systems 提供 [PDF]
　　结论
　　多级降压转换的概念并不新鲜，多年来一直应用于更高电压和功率的设备中。然而，智能手机等小型、扁平应用对高功率传输的需求使得多级用途更具吸引力。该拓扑结构具有许多优势，从而实现了更小、更扁平的输出电感器，并使用较低电压的 FET 以实现更高的效率。与所有电源架构一样，必须应用额外的复杂性和控制技术，但盲区作和飞电容平衡等问题是可以解决的。
　　多电平方法在智能手机应用中特别有吸引力，因为解决方案的高度预计为 <1 mm。该拓扑可以提供高效率和高功率传输，以提高电池充电速度，并为在较低电源电压下需要更高电流的 10 nm 以下处理器 ASIC 提供高电流。
　　智能手机行业面临的一个关键挑战是支持大量新的和传统的“有线”和“无线”充电电压要求。多电平方法可以根据所呈现的输入电压类型进行调整和转换。如果输入适配器固定为 USB_PD （power delivery），则将其作为多电平降压转换器启用。根据输入电压幅度，这可以实现为 4 电平、3 电平或 2 电平。如果适配器类型为 PPS 并提供可变输入电压，则多电平转换器可以用作电容分压器电荷泵。确实，这是一个智能的混合架构。
　　pSemi-Murata 开发了业界首款能够工作到四电平的多电平转换器，并作为能够提供大电流的电荷泵电容器分压器。pSemi 将在本周的 APEC 2025 上首次展示用于移动平台功率转换的混合 4 电平降压和电荷泵转换器。基于过去 13 年开发的大量知识产权，并源自麻省理工学院的，pSemi 现在能够展示将电源转换提升到新水平的产品。