摘要：介绍了一种基于开关电容的DC-DC变换器(SC DC-DC)过温保护电路。该电路采用两步方法设计，包括运行电气和电热模拟。为了确定最坏的情况，并为实现鲁棒和精确的OTP提供设计数据，分析了两种关键操作场景下的模具温度分布。最后给出了一个带OTP的SC型直流控制系统的设计实例，并给出了关键的电学和电热仿真结果。

1.引言

      基于开关电容器的DC-DC转换器(SC DC-DC)已经成为低功率到中功率汽车应用中基于电感的转换器的真正挑战者。外部电感器不仅价格昂贵，而且体积庞大，容易受到机械振动的影响。过温保护(OTP)是线性稳压器的基本功能，对于避免在输出短路对地等故障条件下的物理破坏至关重要。SC DC-DC在正常运行时不会消耗太多功率，但在某些情况下过热可能会影响功能。因此，精确的OTP对于保护转换器免受某些情况下可能出现的热失控是必要的。本文表明，即使对于一个相当知名的SC DC-DC拓扑结构，其某些电路中的功耗也会影响转换器的鲁棒性。简要讨论了实现OTP电路的三种设计方案，并给出了一个设计实例。给出了两种操作场景的标准模拟、纯电模拟和电热模拟的结果。它们演示了OTP电路的必要性，并指出了其设计的系统方法。

2. 充电电流可控的SC DC-DC变换器的OTP

A.核心原理图和OTP案例

      开关电容阵列是SC DC-DC变换器的核心，由MOS开关和用于存储和传输能量的“飞行”电容器(CFLY)组成。在许多可能的拓扑中，选择2:1(降压)或1:2(升压)配置进行讨论，因为它们是最常用的SC DC-DC变换器拓扑之一。一般来说，它们提供了良好的效率，并需要相对较小的模具面积，因为它们只采用了一个CFLY。此外，我们重点研究了一种单cfly SC DC-DC控制充电电流的实现。

      电路在两相内将输入电压VIN转换为调节输出电压VOUT: CFLY在第一相(1)从输入充电，在第二相(2)在负载上放电。这是通过在相位1中打开开关S2和S4，在相位S1、S3和S5来实现的。输出电压水平由一个反馈回路设置和维持，该反馈回路控制从输入到输出的电荷量。转移电荷由功率电流反射镜提供（PCM -晶体管M2和M3）；传输的电荷量由微分误差放大器(EA)设定，该放大器驱动晶体管M1与施加于其输入的电压之间的差成比例:参考VREF和电阻分频器R1, R2 (VFB)带来的反向EA输入的输出电压的一小部分。在正常工作情况下，交换机S1 - S4的功耗不足以引起交换机过热。但在某些操作场景下，PCM内的功率晶体管M3会出现较大的电压降，然后可能导致大量的耗散功率。以下是两种关键场景:

       正常启动，但输入电压较大。PCM将在第一相(1)中提供最大可能的电流，因为EA的输入完全不平衡，因为VFB=0。在达到稳态之前(即直到VFB = VREF)，每个阶段1中的PCM都会消耗大量的功率。

       短路输出故障状态下启动(输出短路接地)。在这种情况下，EA的输入始终保持不平衡，PCM将尝试在每个相1中提供最大可能的电流。

       设计人员应确保在所有有效的工作场景下，转换器内的最高模具温度(这里称为THOTSPOT)保持在由应用和技术限制定义的安全值以下。

B.OTP电路实现的设计方案

     OTP的典型电路实现通常用于ldo，但也可以适用于SC DC-DC转换器。由温度传感器OTPSENSOR产生的电压-这里是BJT的基极-发射极电压，VEB-应用到具有迟滞的电压比较器的逆变输入，由运放、基于晶体管T1的增益级和施密特触发器实现，后者选择应用于非逆变输入的参考电压VREF1或VREF2。当OTPSENSOR的温度高于OTP电路的激活温度(这里称为THIGH)时，输出OTPOUT将进入逻辑“1”;当温度低于失活温度(这里称为TLOW)时，OTPOUT将跳闸到逻辑“0”。

       对于SC DC-DC拓扑结构，OTPOUT信号可用于以三种不同的方式实现OTP:

      方法1:OTPOUT信号可用于PCM的控制信号。当OTP事件发生时，OTPOUT变高，逻辑电路可以打开开关S5并关闭开关S4。

      方法2:OTPOUT信号被用作转换器数字控制块(DCB)的额外输入，因此当OTPOUT变高时，DCB将激活相位2，并保持转换器处于该状态，直到OTPOUT信号变低，即直到OTPSENSOR的温度降至TLOW以下。

      方法3:OTPOUT信号可以作为产生1和2时钟的振荡器的附加使能条件:只要OTPOUT保持高，振荡器就被关闭。

3 .设计实例及仿真结果

      基于特定应用设计的SC DC-DC转换器的平面图，还集成了OTP电路版本。采用上述方法2实现OTP:只要OTPOUT的逻辑值为“1”，SC DC-DC变换器就保持在phase 2。

      OTP电路通常是基于纯电模拟设计的。但是这些模拟假设整个转换器的模具温度是恒定的，这显然不是现实中的集成电路(IC)的情况;因此，设计/模拟的OTP激活和失活温度可能与实际测量值相差甚远。为了避免这些错误，我们的设计遵循了两步方法:

      步骤1 =电路通过纯电模拟来确定尺寸，目标为THIGH=175°;和TLOW = 160°;给出了温度扫描模拟的结果;我们可以得到OTP的激活温度(THIGH)和失活温度(TLOW)。

       通过瞬态模拟产生的SC DC-DC变换器的输出，该模拟也涉及改变模具温度。直到t=165us，模具温度保持不变，t=165°;之后温度升高1°C/us。因此，在t=175us左右，OTP激活温度THIGH达到，OTPOUT升高，SC DC-DC变换器处于phase 2。因此，当CFLY通过负载放电时，输出电压降为零。

      步骤2 =根据[5]中描述的电热模拟，仔细调整OTP阈值，但要考虑第2. a节中提出的关键场景。主要结果是:IC内可出现的最高温度(THOTSPOT)和热点位置。这些数据对于确定OTPSENSOR位置和计算产生的热耦合是必要的:DeltaT[°C] = THOTSPOT - TOTPSENSOR(1)电热模拟考虑IC布局、封装的物理描述、环境温度(TSTART)和纯电模拟产生的PCM所消耗的功率。表1总结了TSTART设置为-40°C或150°C的两个关键场景下的测试结果。在“故障条件下启动”测试中获得最坏情况下的DeltaT值，TSTART=150°C: DeltaT= 65°，显示了THOTSPOT(红色迹线)和TOTPSENSOR(黑色迹线)温度随时间的变化。请注意，提取THOTSPOT的PCM温度是不同的:在1中，温度随着PCM耗散的功率而升高，而在2中，温度下降，因为PCM不耗散功率。总体而言，PCM温度升高，直到OTPSENSOR的温度达到THIGH阈值。

4 .总结

       首先，论证了控制充电电流的SC DC-DC变换器需要精确的OTP电路。最后给出了基于电模拟和电热模拟的设计实例。它涉及确定OTPSENSOR与IC内最高温度之间的最差情况差值，这不仅可以微调OTP阈值，还可以为OTPSENSOR的最佳布置提供数据。