一种新兴的解决方案是三电平 DC-DC 转换器架构，它可以在降低物料清单 (BOM) 成本和电路板尺寸的同时，显著提高效率。.
为什么需要三电平DC-DC转换器？
两电平降压控制器使用两个FET（外部或内部）和一个电感进行功率传输。之所以称为两电平控制器，是因为电感的相位节点（V_SW）在VIN和地之间振荡——也就是说，只有两个电平。在这种拓扑结构中，FET在关断时必须完全阻断VIN电压，并且电感纹波在50%占空比时达到最大值。
图 1：典型的两电平 DC-DC 拓扑结构
与传统的两电平 (2N) 降压转换器相比，三电平 (3N) 降压转换器多出两个开关和一个反激电容。开关 Q1 和 Q4 之间存在相移，同样，Q2 和 Q3 之间也存在相移。开关节点 (V_SW) 在 VIN 和 VIN/2 之间，或在 VIN/2 和地之间交替切换，因此得名“三电平”。
图 2：典型的 3 层 CC-CC 拓扑结构
在稳态下，反激电容维持 VIN/2 的电压，从而降低开关两端的电压。这使得可以使用电压更低、品质因数更高的 FET，进而降低导通损耗和开关损耗，其降低幅度与 V² 成正比。
此外，由于电感器仅承受 VIN 的一半电压，因此该拓扑结构还允许使用更小的电感器。电感器纹波的出现频率是 FET 开关频率的两倍，使得峰峰值纹波仅为两电平转换器的四分之一，从而降低了电感器磁芯损耗和直流电阻损耗。
图 3：2 级和 3 级降压转换器的电感纹波与占空比的关系
物料清单精简机会
：通过利用三电平设计更高的热效率和电效率，工程师可以：
- 在不影响性能的前提下减小电感器和电容器的尺寸。-
通过简化缓冲电路和电磁干扰滤波来减少元件数量。-
选择额定电压更低的 MOSFET，它们不仅更具成本效益，而且导通损耗也更低。
实际应用案例：
多端口 USB-PD 充电器。
在高功率 USB-PD 充电器（尤其是 EPR > 65 W）中，效率和散热控制至关重要。三电平 DC-DC 转换器可以在更高的开关频率下运行而不会造成性能损失，从而可以使用更小的磁性元件并实现更快的瞬态响应。更低的散热负载使得无需强制通风即可采用更纤薄的外壳，从而直接降低制造成本和材料成本。
图 4：带 3 级 DC-DC 转换的多端口 USB-PD 充电器示意图
消费类电源产品：
在笔记本电脑、移动工作站和高端便携式音频设备等产品中，电路板空间往往非常宝贵。更小的功率级不仅可以降低物料成本，还能腾出空间用于添加其他功能、提升外观设计或缩小整体尺寸。该功率级采用创新设计，通过电感器集成了一个三电平开关节点和一个两电平开关节点，从而支持降压、升降压或升压模式。
图 5：三电平 DC-DC 图的功耗乘积
电压降低的优势：
由于三电平转换器中每个元件承受的电压摆幅更小，因此对电压降低的要求也更低。例如，在将 24V 降至 5V 的两电平降压转换器中，高侧 MOSFET 在关断状态下可能承受完整的 24V 电压，这就需要使用导通电阻 R_DS(on) 更高、成本也更高的 30V–40V 器件。而在三电平拓扑结构中，MOSFET 仅承受大约一半的电压（≈12V），因此可以使用导通电阻 R_DS(on) 更低、开关性能更好、成本更低的 15V–30V MOSFET。
这种优势贯穿整个设计：电压降低使得设计人员可以选择电压更低、性能更高的元件系列，这些元件通常具有更高的品质因数 (FOM) 和更低的导通损耗和开关损耗。最终结果是功率级体积更小、发热量更低、成本更低。
关于电感尺寸和效率的优势：
由于三电平转换器中的纹波电流自然降低，所需的电感尺寸也相应减小。例如，在将 24V 降至 12V 的两电平降压转换器中，电感必须控制每个周期内完整的 24V 到 0V 的转换。这会导致更高的峰峰值纹波电流，迫使设计人员选择更高的电感值以及物理尺寸更大的电感器，例如具有更大磁芯体积和铜绕组的电感器。更大的电感器不仅会增加成本，还会引入更高的直流电阻 (DCR)，从而增加导通损耗并进一步降低效率。
在三电平降压转换器中，由于开关转换发生在中间电压节点之间（大约 12V 到 0V 或 24V 到 12V），电感器两端的有效电压减半。这使得纹波电流降低了近 50%，从而可以使用更小的电感值来实现相同的纹波电流。更小的电感器具有更低的直流电阻 (DCR)，可直接降低导通损耗，加快瞬态响应，并实现更紧凑的设计。同时，更低的纹波可降低输出电容电压，提高系统可靠性。综合来看，三电平拓扑结构可实现更高的效率、更小的体积和更低的系统总成本，使其在大电流和空间受限的应用中尤为具有吸引力。
系统级影响
切换到 3 层 CC-CC 架构不仅仅是组件级别的改变，而且具有系统范围的影响，可以转化为产品设计中可量化的收益。
• 降低散热设计要求
：由于三级拓扑结构降低了开关损耗和传导损耗，功率级产生的热量也更少。例如，在 200W USB-PD 充电器中，与两级设计相比，散热量可减少 1-2W。这使得您可以用更小的冲压金属片代替笨重的铝制散热片，甚至完全省去散热片，从而无需导热垫或热管，降低物料成本和组装复杂性。
• 更小的PCB电源转换区域：
由于损耗和电压更低，电感器和电容器的物理尺寸可以更小。在典型的笔记本电脑适配器中，功率级面积可以减少20%到30%，从而释放出宝贵的电路板空间，用于添加更多端口、无线充电线圈或改进机械设计。更小的元件还可以提高元件密度，更容易满足外壳尺寸或重量目标。
更高的效率意味着终端用户更低的运营成本。
对于大批量生产的消费电子设备而言，即使效率提升0.5%至1%，也能在产品生命周期内带来显著的节能效果。例如，一款240W、三级USB-PD充电器，效率为95%，在满负荷使用8小时的情况下，比一款两级、效率为93%的充电器每天节省12W的电量，从而降低终端用户的电费和发热量。这在企业或数据中心环境中尤为重要，因为这些环境中可能需要部署数十甚至数百个此类设备。
结论：
三电平DC-DC转换器为电源传输系统提供了一种极具吸引力的价值最大化方案。通过降低物料成本、缩小元件尺寸和简化散热管理，这种拓扑结构使设计人员能够交付高性能、低成本的产品，满足现代应用的需求。随着USB-PD和其他高功率市场的持续增长，对于既注重性能又注重成本效益的工程师而言，三电平方案将越来越具有吸引力。
作者：瑞萨电子产品营销总监 Alex Zhou
