3级降压转换器：它是如何工作的？

大家好！ 今天，我将向您介绍一下BQ25910 所采用的 三级降压转换器技术，它是 TI 的最新配套器件， 可用于对单节电池应用进行快速充电， 效率提高了高达 5%。 这就意味着功率损耗预算不变的情况下， 充电电流增加 50%。 除了效率得到提高外， 此转换器还通过使用更小的低厚度电感器 将解决方案尺寸缩减到了原来的一半。 电池充电器的性能可以用来两个 关键指标进行定义： 一是充电效率，二是解决方案尺寸。 更高的效率意味着充电电流更大、 充电时间更短。 但是这通常都是通过增加电路尺寸 来实现的。 而此三级降压转换器不但缩小了电路尺寸， 同时还提高了整体效率。 BQ25910 基于一个三级降压转换器， 此转换器在传统拓扑的基础上，加入了飞跨电容器、C FLY 以及几个开关。 通过在输入电压减半的条件下保持飞跨电容平衡， 开关节点 会显示为V IN、V IN/2 或者接地。 三级转换器因此得名。 当输入电压高于两倍的输出电压时， 开关节点会在接地和 V IN/2 之间进行交替。 反之，当输入电压低于两倍的 输出电压时，开关节点将在 V IN 和 V IN/2之间进行交替。 现在让我们看一下在上述两种情形下 开关是怎样驱动的。 假设使用 12 伏输入来给一个 4 伏的电池充电。 在这种情况下，转换器会 在 V IN/2 和接地开关接点之间交替运行 如此处所示。 该周期包括四个阶段。 我们打开 Q1 和 Q4，开始此周期 开关节点显示为 VIN - V FLY 也就是 V IN/2。 与此同时，C FLY 电容器 开始充电，电感器也开始通电， 这是因为输出电压低于开关节点电压。 第二阶段时，Q1 关断 Q2 开启，使得开关节点显示为接地。 此操作导致 C FLY电容器断开连接， 电感器也停止通电。 在第三阶段，控制器 关断 Q4 并开启 Q3，直接跨过开关节点 连接 C FLY 电容器。 这样可以释放电容器电压 同时增大电感器电流。 值得注意的是第一阶段中增加到 C FLY 的电荷应在第三阶段时 从 C FLY 中移除，从而在稳定操作状态下 开关节点为 V IN/2 时，保持电容器平衡。 最后，第四阶段时再次关断 Q3，开启 Q4, 将开关节点直接接地。 此操作导致电容器断开连接， 并且再次切断电感器电源， 为下一周期做准备。 随着输入电压降低控制器会自动 延长第一阶段和第三阶段的持续时间。 换话句话说，即增加占空比， 从而提供稳压输出电压。 这一机制能够减少电感器的电流纹波， 直至电流纹波降至最小值，此时输入刚好等于 两倍的输出。 此时，开关节点始终保持在 V IN/2， 而控制器 在第一阶段和第二阶段间变化， 从而实现每个周期中飞跨电容的 充电和放电。 随着输入电压持续降低， 控制器会不断增加占空比， 直到 Q1 和 Q3在同一时段开启。 在这种情况下，开关节点开始在 V IN 和 V IN/2 之间交替。 重申一下， 飞跨电容器总是处于充电阶段或放电阶段。 现在我们可以思考一下低输入电压的情况， 比如说用 5 伏电压为4 伏的电池充电。 与先前的例子类似，控制器会进行以下交替操作 给电容器充电、断开连接、 用电容器充当电源、 最终再次断开连接。 从以上讨论，我们可以总结出 三级转换器波形的两个明显优势。 第一，降低了所有操作模式下电感器和开关上的 电压应力。 第二，开关节点处的开关频率增加一倍。 以上两点优势相结合，可将最大电感器电流纹波 降低至普通降压转换器的四分之一。 电感值通过电流纹波来选择， 所以电流纹波减小后就可以使用更小、 更薄的电感器。 此外，线圈电阻 是电感的函数，因此降低线圈电阻也能 减少功率损耗。 最后，三级降压转换器中的开关 只需阻止一半的输入电压， 这有助于减少开关变换过程中的 开关损耗。 这些优点结合于一身，可以将充电效率提高 5%， 同时将解决方案尺寸减半。 以上就是 BQ25910 中飞跨电容器和额外的开关 为高电流充电提供更高效率 以及更小解决方案尺寸的工作原理。 如果您想了解更多信息，请访问下方链接。