MAX16128/MAX16129：可靠的負(fù)載突降/反壓保護(hù)電路

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，為電源提供可靠的保護(hù)是至關(guān)重要的。尤其是在像汽車、工業(yè)等惡劣環(huán)境中，電源輸入端常常會(huì)遇到過壓、反壓和高壓瞬態(tài)脈沖等問題。今天要和大家聊聊的 MAX16128/MAX16129 負(fù)載突降/反壓保護(hù)電路，就能很好地解決這些問題。

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一、產(chǎn)品概述

MAX16128/MAX16129 能夠保護(hù)電源免受各種損壞性輸入電壓情況的影響。它利用內(nèi)置電荷泵控制兩個(gè)外部背對(duì)背 n 溝道 MOSFET，在出現(xiàn)如汽車負(fù)載突降脈沖或反電池等損壞性輸入條件時(shí)，可關(guān)閉并隔離下游電源。這款器件可確保在 3V 下正常工作，能很好地應(yīng)對(duì)汽車?yán)鋯?dòng)的情況。同時(shí)，它還設(shè)有標(biāo)志輸出（FLAG），在故障條件下會(huì)發(fā)出信號(hào)。

二、產(chǎn)品特性與優(yōu)勢

增強(qiáng)惡劣環(huán)境中敏感電子元件的保護(hù)

1. 寬輸入電壓保護(hù)范圍：支持 -36V 至 +90V 的寬輸入電壓保護(hù)范圍，能適應(yīng)多種復(fù)雜的電源環(huán)境。
2. 快速關(guān)斷與負(fù)載隔離：在故障條件下能迅速關(guān)閉柵極，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的完全隔離，保護(hù)下游設(shè)備。
3. 熱關(guān)斷保護(hù)：當(dāng)內(nèi)部管芯溫度超過 145°C 時(shí)，會(huì)自動(dòng)關(guān)閉 MOSFET，避免過熱損壞。
4. 故障指示：FLAG 輸出可明確識(shí)別故障情況，方便工程師進(jìn)行故障排查。
5. 汽車級(jí)認(rèn)證：適用于汽車環(huán)境，工作溫度范圍為 -40°C 至 +125°C。
6. 低電壓工作能力：能夠在低至 3V 的電壓下工作，確保在汽車?yán)鋯?dòng)時(shí)也能正常運(yùn)行。

集成化設(shè)計(jì)減小解決方案尺寸

1. 內(nèi)置電荷泵：內(nèi)部電荷泵電路可增強(qiáng)外部 n 溝道 MOSFET 的性能。
2. 固定閾值：采用固定的欠壓/過壓閾值，減少了外部元件的數(shù)量。
3. 小封裝：采用 3mm × 3mm、8 引腳的 μMAX 封裝，節(jié)省 PCB 空間。

降低功耗

1. 低電壓降：在反壓保護(hù)方面，具有最小的工作電壓降。
2. 低電流消耗：在 30V 輸入時(shí)，電源電流僅為 380μA，關(guān)斷電流為 100μA。

支持系統(tǒng)級(jí)功能安全

為整個(gè)系統(tǒng)提供了更高級(jí)別的功能安全保障。

三、電氣特性

電壓相關(guān)特性

輸入電壓范圍在 3V 至 -36V 到 +90V 之間。內(nèi)部欠壓閾值、過壓閾值等都有明確的范圍和精度要求，并且?guī)в幸欢ǖ臏筇匦?，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。例如，內(nèi)部欠壓閾值在輸入電壓上升時(shí)，范圍為 0.97 × V_UV 至 1.03 × V_UV。

電流相關(guān)特性

包括輸入電源電流、SRC 輸入電流、GATE 輸出相關(guān)的電流等。不同的工作條件下（如不同的輸入電壓、SHDN 狀態(tài)），電流值有所不同。比如，在 V_IN = V_SRC = V_OUT = 12V、SHDN = high 時(shí)，SRC 輸入電流范圍為 36μA 至 200μA。

時(shí)間相關(guān)特性

如啟動(dòng)響應(yīng)時(shí)間、自動(dòng)重試超時(shí)時(shí)間、GATE 上升時(shí)間等。啟動(dòng)響應(yīng)時(shí)間典型值為 150μs，自動(dòng)重試時(shí)間超時(shí)為 150ms，GATE 上升時(shí)間為 1ms 等，這些特性對(duì)于系統(tǒng)的快速響應(yīng)和穩(wěn)定運(yùn)行起到關(guān)鍵作用。

四、故障保護(hù)機(jī)制

過壓保護(hù)

通過比較器檢測過壓情況，當(dāng)輸入電壓超過過壓閾值時(shí)，GATE 輸出變低，關(guān)閉外部 MOSFET，同時(shí) FLAG 輸出信號(hào)指示故障。不過，MAX16128 和 MAX16129 在過壓保護(hù)的處理方式上有所不同。

• MAX16129（過壓限制器模式）：輸出電壓會(huì)被調(diào)節(jié)在過壓閾值電壓，繼續(xù)為下游設(shè)備供電。在這種模式下，MOSFET 會(huì)循環(huán)開關(guān)，其開關(guān)頻率取決于 MOSFET 的柵極電荷、電荷泵電流、輸出負(fù)載電流和輸出電容等因素。但長時(shí)間工作在該模式下，需要注意 MOSFET 的散熱問題，以免損壞。
• MAX16128（過壓開關(guān)模式）：當(dāng)輸入電壓超過過壓閾值時(shí)，會(huì)完全斷開負(fù)載與輸入的連接。并且可以配置不同的重試模式，如總是重試、一次重試后鎖存、三次重試后鎖存、直接鎖存等，每次重試之間有 150ms 的延遲。

欠壓保護(hù)

當(dāng)輸入電壓低于欠壓閾值時(shí)，GATE 變低，關(guān)閉外部 MOSFET 并觸發(fā) FLAG 信號(hào)。當(dāng)輸入電壓超過欠壓閾值后，經(jīng)過 150μs 延遲（典型值），GATE 變高。欠壓閾值由器件的后綴選項(xiàng)決定。

冷啟動(dòng)監(jiān)測

根據(jù)器件后綴的不同，有兩種處理冷啟動(dòng)故障的方式。一種是禁用冷啟動(dòng)比較器，只要輸入電壓不低于欠壓閾值，外部 MOSFET 就保持導(dǎo)通；另一種是啟用冷啟動(dòng)比較器，當(dāng)輸入電壓低于冷啟動(dòng)閾值時(shí)，通過拉低 GATE 關(guān)閉外部 MOSFET，防止反向電流導(dǎo)致負(fù)載放電。

熱關(guān)斷

當(dāng)內(nèi)部管芯溫度超過 145°C 時(shí)，熱關(guān)斷功能會(huì)關(guān)閉 MOSFET，當(dāng)溫度下降 15°C 后，MOSFET 會(huì)重新開啟。需要注意的是，不能超過絕對(duì)最大結(jié)溫（+150°C）。

反壓保護(hù)

能夠承受 -36V 的反向電壓，在反向電壓情況下，兩個(gè)外部 n 溝道 MOSFET 會(huì)關(guān)閉，保護(hù)負(fù)載。在正常工作時(shí)，MOSFET 導(dǎo)通，具有極小的正向壓降，相比傳統(tǒng)的反電池保護(hù)二極管，功耗更低，壓降更小。

五、應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

應(yīng)用領(lǐng)域

廣泛應(yīng)用于汽車、工業(yè)、航空電子、電信/服務(wù)器/網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域。

MOSFET 選擇

選擇合適的 MOSFET 對(duì)于設(shè)計(jì)保護(hù)電路至關(guān)重要。需要考慮柵極電容、漏源電壓額定值、導(dǎo)通電阻（R_DS(ON)）、峰值功率耗散能力和平均功率耗散限制等因素。一般來說，兩個(gè) MOSFET 應(yīng)選用相同的型號(hào)，在對(duì)尺寸有要求的應(yīng)用中，可選擇雙 MOSFET 節(jié)省 PCB 面積。

MOSFET 功率耗散計(jì)算

• 正常工作時(shí)：每個(gè) MOSFET 的功率耗散可通過公式 (P = I{LOAD}^{2} × R{DS(ON)}) 計(jì)算，其中 (I_{LOAD}) 是平均負(fù)載電流。
• 故障條件下（限制器模式）：兩個(gè) MOSFET 的平均功率耗散可通過公式 (P = I{LOAD} times (V{IN } - V_{OUT })) 計(jì)算，同時(shí)要注意不能超過 MOSFET 的峰值功率額定值。

MOSFET 柵極保護(hù)

為了保護(hù) MOSFET 的柵極，需要在柵極和源極之間連接一個(gè)齊納鉗位二極管，其齊納鉗位電壓應(yīng)高于 10V 且低于 MOSFET 的 (V_{GS}) 最大額定值。

增加輸入電壓保護(hù)范圍

為了增加正向輸入電壓保護(hù)范圍，可以在 IN 到 GND 之間連接兩個(gè)背對(duì)背的齊納二極管，并在 IN 和電源輸入端串聯(lián)一個(gè)電阻，以限制齊納二極管的電流。同時(shí)，要注意計(jì)算串聯(lián)電阻的峰值功率耗散，必要時(shí)可采用多個(gè)電阻并聯(lián)或使用汽車級(jí)電阻。

輸出儲(chǔ)能電容

輸出電容可以作為儲(chǔ)能電容，讓下游電路在故障瞬態(tài)條件下繼續(xù)工作。由于輸出電壓受到輸入電壓瞬變的保護(hù)，電容的電壓額定值可以低于預(yù)期的最大輸入電壓。

六、總結(jié)

MAX16128/MAX16129 負(fù)載突降/反壓保護(hù)電路憑借其出色的保護(hù)功能、集成化設(shè)計(jì)和低功耗特性，為電源保護(hù)提供了可靠的解決方案。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，合理選擇 MOSFET、做好保護(hù)措施和參數(shù)計(jì)算，能夠充分發(fā)揮該器件的優(yōu)勢，提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。各位工程師在遇到類似的電源保護(hù)問題時(shí)，不妨考慮一下這款器件。你在使用電源保護(hù)電路時(shí)，遇到過哪些棘手的問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)留言分享。