常规Buck充电IC的效率仍不够高，带来发热和充电慢的问题。因此高通在PM8350B上集成了3 level buck，提升了充电芯片的效率。3 level buck拓扑降低了电感纹波电流，可以使用感值更小的电感，这意味着DCR容易做小，从而提升效率。保守估计大约有3~4个百分点的收益。
要理解三电平Buck，需要从传统的Buck，即两电平Buck说起。
传统两电平Buck
传统的Buck拓扑结构很简单，一个上管（开关管）、一个下管（同步整流管）、一个电感。
上管导通时，开关节点电压Vsw = Vin；下管导通时，Vsw = 0。
所以开关节点Vsw的电压在Vin和0这两个电平之间跳变，所以也被称为两电平buck。两电平buck的缺点很明显：
- 开关管应力高，在关断时承受的电应力为Vin，在Vin很大的时候不利。
- 在高输入电压场合，开关过程中的交叠损耗很高，这不利于提高开关频率，像快马加鞭却绊了脚。
- 大的电压跳变会产生强的电磁干扰。
三电平Buck
三电平Buck，也被称为飞跨电容Buck，就是为了解决上述问题而生的。它的核心思想是将一个大电压台阶的跳变，分解为两个小电压台阶的跳变。将开关节点 Vsw的电压摆幅从 [0, Vin] 变为 [0, Vin/2, Vin]，从而使每个开关管承受的电压应力降为Vin/2。
具体而言，当占空比D<50%，Vsw电压会在0和Vin/2之间进行交替；当占空比D>50%，Vsw电压将在Vin和Vin/2之间进行交替。
如下图，一个典型的三电平Buck包含四个MOS（Q1、Q2、Q3、Q4）、一个飞电容Cfly和电感。Q1和Q2的驱动仍是互补的，占空比D = Vout/Vin。
与常规Buck相比，额外引入了Q3和Q4，Q3的驱动相较于Q1相移了180度，Q4相较于Q2相移了180度。
首先，Cfly上面的电压在Vin/2处平衡，由于充电和放电的“驱动力”对称，在一个周期内，充入的电荷量和放出的电荷量相等，所以Cfly的电压得以稳定维持为Vin/2。
下面详细描述工作原理与开关状态：
如下图，当Vout＜Vin/2时，即占空比D<0.5，Cfly = Vin/2，此时开关过程分为四个状态：
- 状态1：Q1和Q4导通、Q3和Q2关闭，Vin通过Q1、Cfly、Q2和电感形成回路，由于Vsw大于Vout，电感电流线性增加。
- 状态2：Q4和Q2导通、Q1和Q3关闭，电感电流通过Q4、Q2进行续流，电感电流线性减少。Cfly处于闲置状态。
- 状态3：Q3和Q2导通、Q1和Q4关闭，Cfly上的电压通过Q3、电感、负载和Q2形成回路。
- 状态4： Q4和Q2导通、Q1和Q3关闭，电感电流通过Q4、Q2进行续流，电感电流线性减少。Cfly处于闲置状态。
如下图，当Vout>Vin/2，即占空比D>0.5，Cfly = Vin/2，此时有：
- 状态1：Q1和Q4导通、Q3和Q2关闭，由于Vsw被钳位在Vin/2的电压，电感上的电压VL = Vsw - Vout，因此电感电流线性减少。
- 状态2：Q1和Q3导通、Q4和Q2关闭，Vin通过Q1和Q3为电感和负载供电，电感上电压VL = Vin - Vout，电感电流线性增加。Vsw的电平为Vin，Cfly处于闲置状态。
- 状态3：Q3和Q2导通、Q1和Q4关闭，Cfly上的电压通过Q3、电感、负载和Q2形成回路，电感电流线性减小。
- 状态4： Q1和Q3导通、Q4和Q2关闭，Vin通过Q1和Q3为电感和负载供电，电感上电压VL = Vin - Vout，电感电流线性增加。Vsw的电平为Vin，Cfly处于闲置状态。
可见在三电平BUCK中，开关节点Vsw电压没有Vin和GND之间直接跳变的现象，而是经过了Vin/2这个中间电平，要么是 （0, Vin/2 ）跳变，要么是（Vin/2, Vin ）跳变，每个开关管在关断时承受的最大电压只有Vin/2。
因此三电平Buck有如下优势：
- 由于电压跳变幅度减半，开关过程中的电压-电流交叠区域变小，降低了开关损耗，使得它可以在更高的开关频率下工作，从而减小无源元件（电感、电容）的尺寸，瘦身成功。
- 与常规Buck相比，所有开关管承受的电压应力仅为 Vin/2。这意味着可以选择更低耐压、更低导通电阻的MOS，从而降低成本和提高效率。
- 由于跳变幅度减小，dV/dt 显著降低，高频谐波分量减少，因此产生的电磁干扰更小，更容易通过EMI认证。
- 与常规Buck相比，由于特殊的驱动，Vsw处的开关频率增加一倍，因此电感的感值可以设计的更小，尺寸也将降低，利用增效，布局空间更有优势。
但缺点是控制更为复杂，元件数量更多，需要生成四路非重叠的PWM驱动信号。此外需要确保Cfly电压平衡在Vin/2，否则会失去三电平的优势并可能导致器件过压，通常控制芯片本身会集成平衡算法。
波形实测
如下图，当充电IC PM8350B的VBUS（VIN）从5V不断往上提高，Vsys（VOUT）设定为4V，所捕捉到的波形。可见在8.5V附近，SW存在变换电平更改，即由VIN/2→VIN更改为GND→VIN/2。而且VBUS=8.5V时，ΔIL亦接近于0，符合前面的描述。
如下图，当VBUS（VIN）为5V，Vsys（VOUT）为4V时，所捕捉到的波形。可见VSW在5V（VIN）、2.5V（VIN/2）之间交替变换，符合前面所描述的D>0.5时的波形情形。
如下图，当VBUS（VIN）为9V，Vsys（VOUT）为4V时，所捕捉到的波形。可见VSW在GND（VIN）和4.5V（VIN/2）之间交替变换，符合前面所描述的D<0.5时的波形变换情形。
总结
三电平Buck通过引入的飞跨电容和四个开关管，将开关节点的电压跳变从两电平(0, Vin)升级为三电平(0, Vin/2, Vin)。虽然增加了电路的复杂性，但换来了更低的开关损耗、更低的器件电压应力、更小的电感、更优的效率、更好的EMI性能，进一步优化传统buck拓扑，提升了产品性能。
