现代供电系统面临着两大相互矛盾的需求：更高性能与更低成本。无论是为下一代消费电子、电动工具还是大功率 USB-PD 设备供电，工程师都必须在更小体积、更经济的设计方案中实现更高能效。三电平 DC-DC 转换器架构应运而生，它既能显著提升能效，又能降低物料清单(BOM)成本、减小电路板尺寸。

为什么选择三电平 DC-DC 转换器?

两电平降压控制器采用两颗场效应晶体管(外置或内置)和一颗电感器实现电能传输。这类控制器被称为 “两电平”，是因为其电感相位节点电压(V_SW)仅在输入电压(VIN)与地电位之间切换 —— 仅有两个电平状态。在该拓扑结构中，场效应晶体管关断时需承受全部输入电压，且电感纹波会在占空比为 50% 时达到峰值。

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与传统两电平(2L)降压转换器相比，三电平(3L)降压转换器额外增加了两个开关管与一个悬浮电容。其中，开关管 Q1 与 Q4 相位相反，开关管 Q2 与 Q3 同样相位相反。其开关节点电压(V_SW)会在输入电压与二分之一输入电压之间，或二分之一输入电压与地电位之间交替切换 ——“三电平” 之名也由此而来。

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在稳态工作状态下，悬浮电容两端电压稳定在二分之一输入电压，大幅降低了开关管的电压应力。这一特性允许工程师选用品质因数更优的低压场效应晶体管，进而使与电压平方(V²)成正比的导通损耗和开关损耗显著降低。

同时，由于电感器仅需承受二分之一的输入电压，三电平拓扑还支持使用更小规格的电感器。其电感纹波频率为场效应晶体管开关频率的两倍，峰峰值纹波仅为两电平转换器的四分之一，最终减少了电感器的磁芯损耗与直流电阻损耗。

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降低物料清单的实现路径

借助三电平设计带来的热效率与电气效率提升，工程师可实现以下优化：

在不牺牲性能的前提下，缩小电感器与电容器的规格尺寸。

简化缓冲电路与电磁干扰滤波电路，减少元器件使用数量。

选用耐压值更低的金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)，此类器件性价比更高，且导通损耗更低。

实际应用案例

USB-PD 多端口充电器

在大功率 USB-PD(尤其是扩展供电范围 EPR，功率>65W)应用场景中，能效与热管理是核心关键。三电平 DC-DC 转换器可在高频开关工况下保持高效运行，无需付出额外损耗代价，不仅支持使用更小的磁性元件，还能实现更快的瞬态响应。损耗降低带来的散热压力减小，可助力产品采用更轻薄的无风扇外壳设计，直接降低生产制造成本与原材料成本。

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消费类电源产品

对于笔记本电脑、扩展坞、高端便携式音频设备等产品而言，电路板空间往往寸土寸金。更小的功率级模块不仅能降低物料清单成本，还能预留出更多空间用于集成额外功能、优化产品外观，或实现整机小型化设计。部分创新功率级架构在电感器两端分别配置了三电平开关节点与两电平开关节点，可灵活实现降压、升降压或升压工作模式。

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电压降额优势

由于三电平转换器中的每个元器件仅需承受更低的电压波动，电压降额设计要求得以大幅放宽。以 24V 转 5V 的两电平降压转换器为例，高端金属氧化物半导体场效应晶体管在关断状态下需承受全部 24V 电压，因此需选用耐压值 30V-40V 的器件，这类器件通常导通电阻(R_DS (on))更高、成本更贵。

而在三电平拓扑中，金属氧化物半导体场效应晶体管承受的电压仅为前者的一半(约 12V)，可选用耐压值 15V-30V 的器件。此类器件导通电阻更低、开关性能更优，且采购成本更低。

这一优势会在整个设计流程中产生连锁反应：更低的电压应力允许设计师选择耐压等级更低、性能更出色的元器件品类，而这类元器件往往具备更优的品质因数(FOM)，能进一步降低导通损耗与开关损耗。最终，功率级模块实现了更小体积、更低温升与更低成本的三重优化。

电感器尺寸与能效优势

三电平转换器的纹波电流天生更小，因此对电感器的尺寸要求也随之降低。仍以 24V 转 12V 的两电平降压转换器为例，电感器在每个开关周期内都需承受 24V 至 0V 的电压跳变，这会产生较大的峰峰值纹波电流，迫使设计师选用更大电感值、更大物理尺寸的电感器，以满足磁芯体积与铜线绕组的设计要求。大尺寸电感器不仅会增加成本，还会带来更高的直流电阻，进而增大导通损耗、降低系统能效。

在三电平降压转换器中，电感器两端的等效电压被削减一半，因为电压切换仅发生在中间电压节点之间(约 12V 至 0V，或 24V 至 12V)。这使得纹波电流降低近 50%，设计师可选用更小电感值的器件，即可达到相同的电流纹波控制效果。

更小尺寸、更低直流电阻的电感器，直接带来了导通损耗降低、瞬态响应加快与设计方案紧凑化的优势。同时，更低的纹波电流还能减小输出电容的应力，提升系统可靠性。多重优势叠加，最终实现了更高能效、更小占用空间与更低整体系统成本，这让三电平拓扑在大电流、空间受限的应用场景中极具吸引力。

系统级影响

采用三电平 DC-DC 转换器架构绝非单纯的元器件层级变更，其产生的影响会覆盖整个系统，为产品设计带来显著的可量化收益。

降低热设计要求

三电平拓扑有效降低了开关损耗与导通损耗，使得功率级模块的发热量大幅减少。以 200W USB-PD 充电器为例，相比两电平设计，其散热功率可降低 1-2W。这一优化可让产品用小型冲压金属件替代笨重的铝制散热器，甚至完全省去散热器，不再需要导热垫或热管，从而降低物料清单成本与组装复杂度。

减小电源转换电路的 PCB 占用面积

得益于更低的损耗与电压应力，电感器和电容器的物理尺寸得以缩小。在典型的笔记本电脑适配器中，功率级电路的 PCB 占用面积可缩减 20%-30%，节省出的宝贵空间可用于增加接口、集成无线充电线圈，或优化产品的机械结构设计。更小的元器件还能提升电路板的元件集成密度，助力产品轻松达成外壳尺寸与重量目标。

更高能效为终端用户降低使用成本

在大批量消费类设备中，即使能效仅提升 0.5%-1%，也能在产品的全生命周期内为用户节省可观的电能。例如，一款效率为 95% 的 240W 三电平 USB-PD 充电器，在满负载工作 8 小时的情况下，相比效率为 93% 的两电平设计，每天可减少 12W 的功率损耗。这不仅能降低终端用户的电费支出，还能减少设备发热量，在企业办公或数据中心等需要部署数十乃至数百台设备的场景中，优势尤为突出。

高性能与成本优化兼备

三电平 DC-DC 转换器为供电系统实现价值最大化提供了高效方案。通过降低物料清单成本、缩小元器件尺寸、简化热管理设计，该拓扑助力工程师打造出高性能、成本优化的产品，满足现代应用场景的严苛需求。随着 USB-PD 及其他大功率市场的持续扩张，三电平技术将成为兼顾性能与利润的工程师的优选方案。