三步阶梯的历史与现实，3 level Boost（三电平Boost）的变换原理

越王勾践破吴归，义士还家尽锦衣 - 李白。

春秋末期，越王勾践被吴王夫差所败于会稽，屈辱求和，入吴为奴。回国后，立志复仇，范蠡和文种为他制定了清晰的三步走战略：

• step 1：韬光养晦，积蓄力量，对吴纳贡称臣，消除夫差戒心。暗地里，鼓励生育、发展农业、训练军队。史记中记载：“身自耕作，夫人自织，食不加肉，衣不重采，折节下贤人，厚遇宾客，振贫吊死，与百姓同其劳。”
• step 2：内政外交，瓦解敌人，对内，任用文种、范蠡修明政治；对外，施用美人计（西施）、离间计，贿赂吴国佞臣，促使夫差杀掉伍子胥，诱导吴国北上中原争霸，耗尽国力。
• step 3：伺机而动，一举灭吴，趁吴国北上与晋国争霸，国内空虚之际，发兵攻吴。最终围困吴都姑苏，逼迫夫差自杀。

类似地，元末天下大乱，群雄并起，朱元璋统一天下也有清晰的三步走战略：高筑墙（巩固根据地），广积粮（发展经济，储备物资），缓称王（低调行事，后发制人）。

上述两个例子深刻的体现了中国人智慧，可以总结为：

• 不追求一蹴而就，而是稳扎稳打，循序渐进，每一步都为下一步打下坚实基础。
• 每个阶段都有清晰、可执行的目标，最终指向宏大的总目标（称霸、复仇、统一）。
• 强调在力量不足时隐忍，在时机成熟时果断出手。

而在电源领域，有一种三电平Boost拓扑也有上述“三步走”的味道。我们先从传统Boost变换器说起。

传统Boost变换器

传统的Boost电路的开关节点SW电压只有两种电平，即0和Vout。

• 开关管导通：电感储能，电流线性上升。二极管反向偏置，负载由输出电容供电。
• 开关管关断：电感释放能量，其感应电动势与输入电压叠加，通过二极管向负载和电容供电，电流线性下降。

传统Boost小功率、低压应用问题不大，但在大功率、高压应用中有瓶颈：输入电流（电感电流）的纹波大、电磁干扰严重、输入电容的纹波电流应力大、开关损耗大，电感体积大（为了承受大的峰值电流和纹波）。

3 level Boost

而业界的飞跨电容型三电平拓扑通过飞电容产生了第三电平。将升压电感、开关管和二极管两端的电压应力降低到传统Boost的一半。同等条件下，所需的电感量仅为传统Boost电感的一半，因此减少了电感的体积和成本。

飞跨电容型三电平boost电路示意图如下图：

首先，我们要知悉：控制芯片通常自带平衡电路，Cfly上面的电压将在Vout电压的一半，即Vout/2处平衡。此外，为了方便描述工作过程，我们假设电路工作在电流连续模式。拓扑中的开关管S3和S4驱动脉冲的相位差为180°，但占空比相同（请注意，与互补控制相区别）。

其工作过程包含4种Phase：

Phase 1：开关管S3和开关管S4同时开通，输入对电感L进行充电，电感电流线性上升，此时开关节点SW的电压为0。

Phase 2：开关管S3导通，其他开关管关断。因为电感电流方向保持不变。因此，S1的寄生二极管VDS1开通，输入电源流经L、S3、Cfly、VDS1、Cout，然后对外输出，SW节点的电压为：Vout - Vclfy ≈ 1/2Vout。

Phase 3：开关管S4导通，其他开关管关断。因为电感电流方向保持不变，S2的寄生二极管VDS2开通，输入电源流经L、VDS2、Cfly、S4，SW节点的电压为Vclfy ≈ 1/2Vout。

Phase 4：开关管S1、S2、S3、S4均关断。但因为电感电流方向保持不变，因此S1与S2的反并二极管VDS1、VDS2均开通，输入电源流经L、VDS2、VDS1到Cout，SW节点的电压为Vout。

综合Phase 1~Phase 4可知，当Vcfly=1/2Vout时，并且在电感电流连续的情况下，SW节点为一个三电平电压，含有三种状态，进一步推导可知：

• 当占空比<0.5时，因为S3和S4的控制脉冲是移相180度的关系，整体包含状态就是：S2导通、S3不导通；S2不导通、S3导通；S2、S3均不导通，所以SW电压1/2Vout和Vout之间切换；
• 当占空比>0.5时，整体包含状态就是：S2导通、S3不导通；S2不导通、S3导通；S2、S3均导通，所以SW电压在0和1/2Vout之间切换。

如下图，因为SW节点含有三种电平状态，所以被称为三电平Boost。

三电平Boost有如下关键优势：

• 电压应力减半，每个管子在关断时只承受Vout/2的电压。使得我们可以选用耐压更低、开关速度更快、导通电阻更小的器件。因为每个器件的电压应力只有Vo/2，所以在开关过程中，电压电流的交叠面积更小，开关损耗更小。总体上可提高电源功率密度。
• 等效开关频率加倍，由于S1和S2是交错控制的（相位差180°），电感电流的纹波频率是单个开关管开关频率的两倍。可以减小电感L的体积和成本，输出电压的纹波也更小。

但缺点是：

• 元件数量多，增加了电路的复杂性和成本。
• 控制复杂，需要生成两路交错的控制信号，并确保fly电容电压平衡，如果不平衡，会导致某个开关管承受过高的电压应力。通常需要集成电压平衡控制算法。

总结

3 level boost是一种通过增加元件数量和复杂性，来换取高压应用中，更低器件应力、更高效率和更小元件体积的拓扑方案。天然地适合作为光伏发电、燃料电池等系统中的前级升压电路，因为这些系统需要将几百伏的直流电压升压到800V甚至1000V以上以供后级逆变器使用。

其实本文档中，S1和S2从头到尾用的都是寄生二极管，因此可以直接用二极管取代。

但是，根据我在从业阶段和高通FAE的沟通，高通的PMIC charger是3 level buck，具备了四个管子和飞电容管脚，反过来用就是3 level boost了。也就是说高通的OTG，其硬件囊括了3 level boost，只不过没有开发而已。从元件复用的角度，画成MOS管比较合适。

参考文献：陈 挺等，飞跨电容型三电平电路在超级电容能馈系统中的应用研究。我觉得原文有些错误的地方和不容易理解的地方，对此加以了修改。