深度解析MAX16128/MAX16129：負(fù)載突降與反接電壓保護電路

在當(dāng)今復(fù)雜的電子系統(tǒng)中，電源保護至關(guān)重要。特別是在汽車、工業(yè)、航空電子和電信等領(lǐng)域，電源可能會面臨各種惡劣的電壓條件，如過壓、反接電壓和高壓瞬態(tài)脈沖等。MAX16128/MAX16129負(fù)載突降/反接電壓保護電路就是為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)而設(shè)計的。下面，我們就來深入了解一下這兩款保護電路。

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產(chǎn)品概述

MAX16128/MAX16129能夠保護電源免受輸入電壓異常情況的損害，包括過壓、反接電壓和高壓瞬態(tài)脈沖。它通過內(nèi)置的電荷泵控制兩個外部背對背n溝道MOSFET，在出現(xiàn)有害輸入條件（如汽車負(fù)載突降脈沖或電池反接）時，關(guān)閉并隔離下游電源。該器件可在低至3V的電壓下保證正常工作，確保在汽車?yán)鋯拥葪l件下也能穩(wěn)定運行。此外，它還具有一個標(biāo)志輸出（FLAG），在故障條件下發(fā)出信號。

該產(chǎn)品的應(yīng)用場景廣泛，涵蓋了汽車、工業(yè)、航空電子以及電信/服務(wù)器/網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域。在汽車領(lǐng)域，它能應(yīng)對負(fù)載突降和冷啟動等常見的電壓異常情況；在工業(yè)環(huán)境中，可保護設(shè)備免受電源波動的影響；航空電子設(shè)備對可靠性要求極高，MAX16128/MAX16129的高性能能夠滿足其需求；在電信/服務(wù)器/網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，能確保設(shè)備在復(fù)雜的電源環(huán)境下穩(wěn)定運行。大家在實際應(yīng)用中，是否也遇到過類似的電源保護難題呢？

產(chǎn)品優(yōu)勢與特點

增強敏感電子元件保護

• 寬輸入電壓保護范圍：可提供 -36V 至 +90V 的寬輸入電壓保護范圍，能適應(yīng)各種惡劣的電源環(huán)境。
• 故障時快速關(guān)斷：在故障條件下，能夠快速關(guān)閉柵極，實現(xiàn)完全的負(fù)載隔離，保護下游設(shè)備。
• 熱關(guān)斷保護：具備熱關(guān)斷保護功能，當(dāng)內(nèi)部管芯溫度超過 145°C 時，會自動關(guān)閉 MOSFET，防止過熱損壞。
• FLAG 輸出指示故障：通過 FLAG 輸出可以方便地識別故障條件，便于及時進行處理。
• 汽車級認(rèn)證：經(jīng)過汽車級認(rèn)證，可在 -40°C 至 +125°C 的寬溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，適應(yīng)汽車等惡劣環(huán)境。
• 低電壓工作能力：能夠在低至 +3V 的電壓下正常工作，可應(yīng)對汽車?yán)鋯拥鹊碗妷呵闆r。

集成化設(shè)計減小方案尺寸

• 內(nèi)部電荷泵電路：內(nèi)部集成的電荷泵電路可增強外部 n 溝道 MOSFET 的性能，減少外部元件數(shù)量。
• 固定欠壓/過壓閾值：采用固定的欠壓/過壓閾值，進一步減少了外部元件的使用，同時簡化了設(shè)計。
• 小封裝：采用 3mm × 3mm、8 引腳的 μMAX 封裝，節(jié)省了電路板空間。

降低功耗

• 低電壓降：在反接電壓保護時，具有極小的工作電壓降，相比傳統(tǒng)的離散解決方案，可降低功耗。
• 低電流消耗：在 30V 輸入時，電源電流僅為 380μA，關(guān)斷電流為 100μA，有效降低了能耗。

電氣特性

MAX16128/MAX16129 的電氣特性表現(xiàn)出色。其輸入電壓范圍為 3V 至 90V，能適應(yīng)不同的電源環(huán)境。在不同的工作條件下，輸入電源電流和 SRC 輸入電流也有所不同。內(nèi)部欠壓和過壓閾值具有一定的精度和滯回特性，可確保準(zhǔn)確的電壓保護。例如，在輸入電壓為 12V 時，輸入電源電流典型值為 260μA；在 30V 輸入且 SHDN 為高電平時，輸入電源電流典型值為 290μA。大家在實際設(shè)計中，是否會根據(jù)這些電氣特性來優(yōu)化電路呢？

典型工作特性

文檔中給出了多個典型工作特性的圖表，包括過壓故障到柵極的傳播延遲與溫度的關(guān)系、反向電流與反向電壓的關(guān)系、啟動波形等。這些圖表直觀地展示了產(chǎn)品在不同條件下的性能表現(xiàn)。例如，過壓故障到柵極的傳播延遲會隨著溫度的變化而變化，在不同的溫度下，傳播延遲的數(shù)值不同。通過這些典型工作特性，我們可以更好地了解產(chǎn)品的性能，為實際應(yīng)用提供參考。

引腳配置與功能

詳細(xì)工作原理

柵極電荷泵

內(nèi)部的電荷泵用于產(chǎn)生 GATE 到 SRC 的電壓，以增強外部 MOSFET。當(dāng)輸入電壓超過欠壓閾值后，電荷泵會在 150μs 延遲后開啟。在故障條件下，GATE 會以至少 8.8mA 的下拉電流被拉到地。需要注意的是，外部 MOSFET 的柵極和源極之間需要連接一個外部齊納二極管進行保護。

過壓保護

通過內(nèi)部的比較器和電阻分壓器來檢測過壓情況。當(dāng)檢測到過壓時，GATE 輸出會變低，從而關(guān)閉外部 MOSFET，同時 FLAG 會發(fā)出信號指示故障。

過壓限制器（MAX16129）

在過壓限制器模式下，輸出電壓會被調(diào)節(jié)到過壓閾值電壓，并繼續(xù)為下游設(shè)備供電。此時，器件類似于一個電壓調(diào)節(jié)器。當(dāng) OUT 電壓超過過壓閾值時，GATE 變低，MOSFET 關(guān)閉；當(dāng) OUT 電壓下降到過壓閾值減去閾值滯回以下時，GATE 變高，MOSFET 再次開啟，以開關(guān)線性模式調(diào)節(jié) OUT 電壓。不過，在長時間處于電壓限制模式時，需要注意 MOSFET 的散熱問題，以防止過熱損壞。

過壓開關(guān)（MAX16128）

在過壓開關(guān)模式下，內(nèi)部過壓比較器會監(jiān)測輸入電壓。當(dāng)輸入電壓超過過壓閾值時，GATE 變低，MOSFET 關(guān)閉，將負(fù)載與輸入完全斷開。對于自動重試模式的版本，自動重試定時器會啟動；對于鎖存模式的版本，則需要對 IN 進行電源循環(huán)或?qū)?SHDN 進行循環(huán)操作才能重新開啟外部 MOSFET。MAX16128 還可以配置為鎖存關(guān)閉模式，即使過壓條件結(jié)束后也保持關(guān)閉狀態(tài)，需要通過將 IN 電壓降低到欠壓閾值以下或切換 SHDN 來清除鎖存。

欠壓保護

通過監(jiān)測輸入電壓來實現(xiàn)欠壓保護。當(dāng)輸入電壓低于欠壓閾值時，GATE 變低，關(guān)閉外部 MOSFET，同時 FLAG 發(fā)出信號。當(dāng)輸入電壓超過欠壓閾值后，GATE 會在 150μs 延遲（典型值）后變高。

冷啟動監(jiān)測

冷啟動故障通常發(fā)生在輸入電壓從穩(wěn)態(tài)下降時。MAX16128/MAX16129 可以根據(jù)不同的型號后綴選擇不同的冷啟動故障處理方式。當(dāng)冷啟動比較器啟用時，如果輸入電壓低于冷啟動閾值，GATE 會被拉低，以避免負(fù)載因反向電流而放電。當(dāng)輸入電壓恢復(fù)到正常范圍時，GATE 會重新拉高，將負(fù)載重新連接到輸入。

熱關(guān)斷

當(dāng)內(nèi)部管芯溫度超過 145°C 時，熱關(guān)斷功能會關(guān)閉 MOSFET。當(dāng)溫度下降 15°C（典型值）后，MOSFET 會重新開啟。需要注意的是，不要超過絕對最大結(jié)溫 150°C。

標(biāo)志輸出（FLAG）

FLAG 為開漏輸出，用于指示故障條件。在啟動時，如果沒有故障，當(dāng) VOUT 大于 VIN 的 90% 時，F(xiàn)LAG 會變?yōu)楦咦钁B(tài)。在關(guān)斷模式、過壓、熱關(guān)斷、欠壓故障或冷啟動故障時，F(xiàn)LAG 會拉低。

反接電壓保護

該產(chǎn)品集成了反接電壓保護功能，能夠承受 -36V 的反向電壓而不損壞自身和負(fù)載。在反接電壓情況下，兩個外部 n 溝道 MOSFET 會關(guān)閉，保護負(fù)載。在正常工作時，MOSFET 導(dǎo)通，具有極小的正向電壓降，相比傳統(tǒng)的反接電池保護二極管，可降低功耗和電壓降。

應(yīng)用信息

汽車電氣瞬態(tài)（負(fù)載突降）

汽車電路需要對各種電氣瞬態(tài)進行保護，如負(fù)載突降、冷啟動等。文檔中列出了 ISO 7637 - 2 和 ISO 16750 - 2 標(biāo)準(zhǔn)中定義的各種脈沖情況，包括脈沖的峰值電壓、持續(xù)時間等。負(fù)載突降脈沖通常在發(fā)電機充電時電池端子斷開時產(chǎn)生，會導(dǎo)致總線電壓尖峰。該產(chǎn)品能夠應(yīng)對這些脈沖，保護下游電路。由于產(chǎn)品可以在低至 3V 的電壓下工作，下游電路可以在冷啟動條件下繼續(xù)運行。如果需要，還可以增加欠壓閾值，使 MOSFET 在冷啟動時關(guān)閉，斷開下游電路，并通過連接輸出儲能電容為電路提供能量。

MOSFET 選擇

MOSFET 的選擇對于設(shè)計合適的保護電路至關(guān)重要。需要考慮的因素包括柵極電容、漏源電壓額定值、導(dǎo)通電阻（RDS(ON)）、峰值功率耗散能力和平均功率耗散限制等。一般來說，兩個 MOSFET 應(yīng)選擇相同的型號。對于尺寸受限的應(yīng)用，可以選擇雙 MOSFET 以節(jié)省電路板空間。選擇合適的漏源電壓，確保 MOSFET 能夠承受可能施加到電路的最高電壓。柵極電容雖然不是關(guān)鍵因素，但會影響 MOSFET 的開關(guān)速度。

MOSFET 功率耗散

在正常工作時，MOSFET 的功率耗散可以通過公式 $P = I{LOAD}^{2} × R{DS(ON)}$ 計算，其中 P 是每個 MOSFET 的功率耗散，$I{LOAD}$ 是平均負(fù)載電流。在開關(guān)模式的故障條件下，MOSFET 關(guān)閉，不消耗功率。在限制器模式下，功率耗散最大，平均功率可以通過公式 $P = I{LOAD} × (V{IN} - V{OUT})$ 計算，其中 P 是兩個 MOSFET 的平均功率耗散，$I{LOAD}$ 是平均負(fù)載電流，$V{IN}$ 是輸入電壓，$V_{OUT}$ 是輸出的平均限制電壓。在限制器模式下，需要注意 MOSFET 的峰值功率額定值，避免超過其承受能力。

MOSFET 柵極保護

為了保護 MOSFET 的柵極，需要在柵極和源極之間連接一個齊納鉗位二極管。選擇齊納鉗位電壓高于 10V 且低于 MOSFET 的 VGS 最大額定值。

增加輸入電壓保護范圍

該產(chǎn)品可以承受 -36V 至 +90V 的輸入電壓。為了增加正輸入電壓保護范圍，可以在 IN 到地之間連接兩個背對背的齊納二極管，并在 IN 和電源輸入之間串聯(lián)一個電阻，以限制齊納二極管的電流。需要注意計算串聯(lián)電阻的峰值功率耗散，避免超過其額定值。同時，關(guān)斷輸入需要一個串聯(lián)電阻來限制電流。

輸出儲能電容

輸出電容可以作為儲能電容，使下游電路能夠在故障瞬態(tài)條件下繼續(xù)工作。由于輸出電壓受到保護，電容的電壓額定值可以低于預(yù)期的最大輸入電壓。

選型指南

MAX16128/MAX16129 有多種型號可供選擇，不同的后綴代表不同的功能和參數(shù)。通過參考文檔中的表格，可以根據(jù)具體需求選擇合適的型號。例如，通過第一后綴選擇欠壓閾值，第二后綴選擇過壓閾值，第三后綴選擇冷啟動閾值，對于 MAX16128 還可以通過第四后綴選擇開關(guān)模式選項。

總結(jié)

MAX16128/MAX16129 負(fù)載突降/反接電壓保護電路是一款性能出色的電源保護器件，具有寬輸入電壓范圍、快速響應(yīng)、低功耗、集成化設(shè)計等優(yōu)點。它適用于汽車、工業(yè)、航空電子、電信等多個領(lǐng)域，能夠有效保護敏感電子元件免受惡劣電源環(huán)境的影響。在實際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體需求選擇合適的型號，并合理選擇 MOSFET 等外部元件，以確保電路的可靠性和穩(wěn)定性。大家在使用這款產(chǎn)品時，是否有遇到過一些特殊的問題或有一些獨特的應(yīng)用經(jīng)驗?zāi)兀繗g迎在評論區(qū)分享。