3.5V 至 36V 理想二極管控制器 MAX16141/MAX16141A 設(shè)計指南

在電子電路設(shè)計中，保護系統(tǒng)免受各種故障影響至關(guān)重要。今天，我們來深入探討 Analog Devices 的 MAX16141/MAX16141A 理想二極管控制器，它能為系統(tǒng)提供全方位的保護，適用于多種應(yīng)用場景。

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一、產(chǎn)品概述

MAX16141/MAX16141A 是一款功能強大的理想二極管控制器，工作電壓范圍為 3.5V 至 36V，具有 5μA（典型值）的低關(guān)斷電流，非常適合汽車應(yīng)用。它集成了電荷泵，可將背靠背外部 nFET 的柵極驅(qū)動至高于源極連接 9V（典型值），有效降低源極與負(fù)載之間的功率損耗。

主要特性

1. 寬電壓范圍：工作電壓范圍 3.5V 至 36V，輸入保護電壓范圍 -36V 至 +60V。
2. 低功耗：關(guān)斷模式電流僅 5μA（典型值），睡眠模式可提供高達(dá) 400μA 的負(fù)載電流。
3. 故障保護：能有效隔離故障電源與負(fù)載，具有雙向電流和電壓阻斷功能，提供過流、過壓、欠壓、反相電流和熱關(guān)斷等保護。
4. 汽車級認(rèn)證：工作溫度范圍 -40°C 至 +125°C，符合 AEC - Q100 標(biāo)準(zhǔn)。

二、工作原理

1. 電源啟動

上電時，當(dāng)輸入電壓超過欠壓閾值 450μs（tSU）后，MAX16141/MAX16141A 啟用柵極驅(qū)動。在此期間，F(xiàn)AULT 引腳保持低電平，當(dāng)輸出電壓大于 (V_{IN}) 的 90% 且無故障時，F(xiàn)AULT 引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。柵極的上升時間由連接在 GRC 和 GND 之間的電阻值決定。

2. 欠壓保護

通過連接在 TERM、UVSET 和 GND 之間的外部電阻分壓器設(shè)置欠壓閾值。當(dāng)輸入電壓低于欠壓閾值（(V{CC}=V{IN}{UVTH}-V{HYS})）時，拉低柵極電壓，關(guān)閉外部 MOSFET，并使 FAULT 引腳置低。當(dāng)輸入電壓高于欠壓閾值（(V{CC}=V{IN}>V_{UVTH})）時，經(jīng)過 450μs 啟動延遲（典型值）后，GATE 引腳變?yōu)楦唠娖健?em>

3. 過壓保護

使用連接在 TERM、OVSET 和 GND 之間的外部電阻分壓器檢測過壓情況。當(dāng)輸入電壓超過編程的過壓閾值時，將 GATE 引腳拉至地，隔離負(fù)載與源電壓。柵極電壓的下降速率由連接在 GFC 和地之間的電阻值決定。在過壓故障期間，GATE 引腳鎖定為低電平，F(xiàn)AULT 引腳保持置低。

4. 過流保護

通過 RS 和 OUT 之間的檢測電阻檢測過流故障。當(dāng)負(fù)載電流超過工廠設(shè)定的閾值時，隔離負(fù)載與輸入，以由 GFC 和地之間電阻值選定的緩慢下降速率拉低 GATE 引腳。在過流故障期間，GATE 進入 300ms（典型值）自動重試模式，F(xiàn)AULT 引腳保持置低。

5. 反相電流保護

使用比較器監(jiān)測 IN 和 OUT 之間的差分電壓來檢測反相電流情況。當(dāng) (V{IN}) 低于 (V{OUT}) 達(dá)到工廠設(shè)定的閾值時，在 1μs（最大值）內(nèi)禁用柵極驅(qū)動，以最大程度減少負(fù)載向源極的放電。當(dāng) (V{IN}) 高于 (V{OUT}) 50mV 時，啟用柵極驅(qū)動。

6. 反相電壓保護

可防止因電池反接或輸入處的負(fù)瞬變對下游電路造成損壞。輸入電壓（IN）可承受低至 -36V 的反向電壓。在反相電壓情況下，在 1μs（最大值）內(nèi)禁用柵極驅(qū)動，隔離負(fù)載與源極。

7. 熱關(guān)斷保護

如果內(nèi)部管芯溫度超過 +145°C（(T{J})），將關(guān)閉外部 MOSFET。當(dāng)結(jié)溫超過 (T{J}= +145°C)（典型值）時，內(nèi)部熱傳感器向關(guān)斷邏輯發(fā)出信號，拉低 GATE 引腳電壓，使器件冷卻。當(dāng) (T_{J}) 下降 15°C（典型值）時，GATE 引腳以緩慢上升速率變?yōu)楦唠娖剑琈OSFET 重新開啟。

三、參數(shù)設(shè)置與計算

1. 過壓/欠壓閾值設(shè)置

MAX16141/MAX16141A 采用窗口檢測閾值比較器，可使用三電阻網(wǎng)絡(luò)設(shè)置欠壓和過壓閾值。計算公式如下： [V{UVTH}=(V{TH}-V{TH{HYS}})left[frac{R{TOTAL}}{R 2+R 3}right]] [V{OVTH}=(V{TH})left[frac{R{TOTAL}}{R 3}right]] 其中，(V{UVTH}) 和 (V{OVTH}) 分別為欠壓和過壓閾值，(R{TOTAL}=R 1+R 2+R 3+R{TERM})，(V{TH}) 為 0.5V 的 OVSET 和 UVSET 閾值，(V{TH{HYS}}) 為遲滯，(R{TERM}) 為 TERM 導(dǎo)通電阻，典型值為 0.7kΩ。

2. 過流閾值設(shè)置

使用公式 (I{OC}=V{(RS - OUT)} / R{SENSE}) 設(shè)置過流閾值，其中 (V{(RS - OUT)}) 為過流閾值電壓（單位：V），(R_{SENSE}) 為連接在 RS 和 OUT 之間的電阻（單位：Ω）。

3. 大容量電容計算

在汽車環(huán)境中，為確保短暫電源中斷后系統(tǒng)快速恢復(fù)，可根據(jù)公式 (C{VCC}=frac{(I{CC} × 100 × 10^{-6})}{Delta V{CC}}) 計算 VCC 處的大容量電容，其中 (C{VCC}) 為大容量電容，(I{CC}) 為電源電流（單位：A），(Delta V{CC}) 為 VCC 所需的壓降（單位：V）。

四、MOSFET 選擇與功率計算

1. MOSFET 選擇

選擇 MOSFET 時，需考慮柵極電容、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。一般來說，兩個 MOSFET 應(yīng)選用相同型號。對于空間受限的應(yīng)用，可選擇雙 MOSFET 以節(jié)省電路板面積。

2. MOSFET 功率耗散計算

正常工作期間，每個 MOSFET 的功率耗散可使用公式 (P = I{LOAD}^{2} × R{DS(ON)}) 計算，其中 (P) 為每個 MOSFET 的功率耗散，(I_{LOAD}) 為平均負(fù)載電流。

五、應(yīng)用場景

1. 汽車電源系統(tǒng)

能有效應(yīng)對汽車系統(tǒng)中的各種瞬態(tài)電壓和電源中斷情況，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

2. 網(wǎng)絡(luò)/電信電源系統(tǒng)

為網(wǎng)絡(luò)和電信設(shè)備提供可靠的電源保護，防止過流、過壓等故障損壞設(shè)備。

3. RAID 系統(tǒng)和服務(wù)器

保障數(shù)據(jù)存儲和處理設(shè)備的電源穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)可靠性。

4. PoE 系統(tǒng)

在以太網(wǎng)供電系統(tǒng)中，提供電源保護和管理功能。

六、總結(jié)

MAX16141/MAX16141A 理想二極管控制器以其寬電壓范圍、低功耗、多種保護功能和汽車級認(rèn)證等優(yōu)勢，成為眾多電子系統(tǒng)設(shè)計中的理想選擇。在實際應(yīng)用中，合理設(shè)置參數(shù)、選擇合適的 MOSFET 以及優(yōu)化電路布局，能夠充分發(fā)揮其性能，為系統(tǒng)提供可靠的電源保護。大家在使用過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。