汽車電子好幫手：MAX16126/MAX16127負(fù)載突降/反極性保護(hù)電路解析

作為電子工程師，在設(shè)計(jì)電路時(shí)，如何有效保護(hù)電源免受惡劣輸入電壓條件的影響，一直是個(gè)關(guān)鍵問題。今天就來詳細(xì)聊聊Analog Devices公司的MAX16126/MAX16127負(fù)載突降/反極性保護(hù)電路，看看它如何為我們的設(shè)計(jì)保駕護(hù)航。

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一、器件概述

MAX16126/MAX16127主要用于保護(hù)電源免受各種有害輸入電壓情況的侵害，像過壓、反極性以及高壓瞬態(tài)脈沖等問題都能有效應(yīng)對。其內(nèi)置的電荷泵可控制兩個(gè)外部背靠背n溝道MOSFET，在出現(xiàn)如汽車負(fù)載突降脈沖或電池反接等有害輸入情況時(shí)，能及時(shí)切斷并隔離下游電源。而且，該器件能在低至3V的電壓下穩(wěn)定工作，確保汽車?yán)鋯?dòng)時(shí)也能正常運(yùn)行。另外，它還有一個(gè)標(biāo)志輸出（FLAG），在故障發(fā)生時(shí)會(huì)發(fā)出信號(hào)。

二、產(chǎn)品優(yōu)勢與特性

增強(qiáng)敏感電子元件保護(hù)

• 寬輸入電壓保護(hù)范圍：支持-36V至+90V的寬輸入電壓，能適應(yīng)各種復(fù)雜的電壓環(huán)境。
• 快速關(guān)斷與負(fù)載隔離：在故障時(shí)可快速關(guān)閉柵極，完全隔離負(fù)載，保護(hù)下游電路。
• 熱關(guān)斷保護(hù)：當(dāng)內(nèi)部芯片溫度過高時(shí)，會(huì)自動(dòng)關(guān)閉MOSFET，避免器件損壞。
• 故障指示：低電平有效的FLAG輸出能清晰指示故障狀況。
• 汽車級(jí)認(rèn)證：符合AEC - Q100汽車標(biāo)準(zhǔn)，可用于汽車電子環(huán)境。
• 低溫啟動(dòng)：能在低至+3V條件下工作，應(yīng)對汽車?yán)鋯?dòng)狀況。
• 寬工作溫度范圍：-40°C至+125°C的工作溫度范圍，適應(yīng)各種惡劣環(huán)境。

集成化減少方案尺寸

• 內(nèi)部電荷泵：增強(qiáng)外部n溝道MOSFET的驅(qū)動(dòng)能力。
• 可調(diào)閾值：可通過外部電阻調(diào)整欠壓/過壓比較器閾值，提高設(shè)計(jì)靈活性。
• 小尺寸封裝：采用3mm x 3mm的12引腳TQFN封裝，節(jié)省電路板空間。

降低功耗

• 低電壓降：在反極性保護(hù)時(shí)，具有極小的工作電壓降。
• 低電流消耗：在30V輸入時(shí)，最大電源電流為350μA，最大關(guān)斷電流為100μA。
• 系統(tǒng)級(jí)功能安全：有助于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的功能安全。

三、技術(shù)參數(shù)解析

絕對最大額定值

器件各個(gè)引腳都有對應(yīng)的電壓、電流和功率限制值。例如，IN引腳的電壓范圍是-36V至+90V，SHDN引腳的電壓范圍是-0.3V至max(0V, VIN + 0.3V)等。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，一定要確保各引腳的電壓和電流在這些額定值范圍內(nèi)，否則可能會(huì)對器件造成永久性損壞。

封裝熱特性

TQFN封裝的結(jié)到環(huán)境熱阻（θJA）為46.91°C/W，結(jié)到外殼熱阻（θJC）為5.27°C/W。了解這些熱特性有助于我們在設(shè)計(jì)散熱方案時(shí)做出合理決策，保證器件在正常溫度范圍內(nèi)工作。

電氣特性

涵蓋了輸入電壓范圍、輸入電源電流、SRC輸入電流、欠壓鎖定、過壓/欠壓閾值等多項(xiàng)參數(shù)。例如，輸入電壓范圍為3V至30V，典型輸入電源電流在不同條件下有不同的值。這些參數(shù)是我們評(píng)估器件性能和進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。

典型工作特性

通過一系列圖表展示了不同參數(shù)隨溫度、電壓等變化的特性曲線，如關(guān)機(jī)電源電流與電源電壓的關(guān)系、電源電流與溫度的關(guān)系等。這些特性曲線能幫助我們更直觀地了解器件在不同工作條件下的性能表現(xiàn)。

四、引腳配置與功能

該器件采用TQFN封裝，各引腳功能明確。下面是引腳的主要功能介紹：

• SHDN：關(guān)機(jī)輸入引腳，拉低該引腳可強(qiáng)制關(guān)閉外部MOSFET。
• TERM：分壓終止輸出，內(nèi)部連接到IN，可降低關(guān)機(jī)時(shí)電阻分壓器的功耗。
• UVSET：欠壓閾值調(diào)整輸入，用于調(diào)整所需的輸入欠壓閾值。
• OVSET：過壓閾值調(diào)整輸入，可調(diào)整過壓禁用或過壓限制閾值。
• GND：接地引腳。
• FLAG：標(biāo)志輸出，用于指示故障狀態(tài)。
• OUT：輸出電壓檢測輸入，連接到負(fù)載。
• SRC：源極輸入，連接到外部MOSFET的公共源極。
• GATE：柵極驅(qū)動(dòng)輸出，連接到外部n溝道MOSFET的柵極。
• IN：正電源輸入電壓，需用0.1μF陶瓷電容旁路到地。

五、工作原理與保護(hù)機(jī)制

過壓保護(hù)

• MAX16127過壓限制模式：當(dāng)輸出電壓超過過壓閾值時(shí)，MOSFET會(huì)周期性地導(dǎo)通和關(guān)斷，將輸出電壓限制在過壓閾值附近，繼續(xù)為下游設(shè)備供電。但在這種模式下，MOSFET會(huì)持續(xù)消耗功率，需要注意散熱設(shè)計(jì)。
• MAX16126過壓開關(guān)模式：檢測到過壓時(shí)，會(huì)立即關(guān)閉外部MOSFET，切斷負(fù)載與輸入的連接?？膳渲貌煌闹卦嚹Ｊ剑缫淮沃卦嚭箧i存、三次重試后鎖存或始終重試等。

欠壓保護(hù)

實(shí)時(shí)監(jiān)測輸入電壓，當(dāng)輸入電壓低于欠壓閾值時(shí)，關(guān)閉外部MOSFET并通過FLAG輸出指示故障。當(dāng)輸入電壓恢復(fù)正常后，經(jīng)過約150μs的延遲，MOSFET會(huì)重新開啟。

熱關(guān)斷保護(hù)

當(dāng)內(nèi)部芯片溫度超過145°C時(shí)，會(huì)自動(dòng)關(guān)閉MOSFET，待芯片溫度下降15°C后，MOSFET會(huì)重新開啟。但要注意，芯片的結(jié)溫不能超過150°C的絕對最大額定值。

反極性保護(hù)

集成了反極性保護(hù)功能，能防止電池反接或負(fù)瞬態(tài)對下游電路造成損壞。在反極性情況下，外部MOSFET會(huì)關(guān)閉，保護(hù)負(fù)載安全。正常工作時(shí)，MOSFET導(dǎo)通，具有極小的正向電壓降，功耗更低。

標(biāo)志輸出（FLAG）

在啟動(dòng)時(shí)，如果輸出電壓低于輸入電壓的90%，F(xiàn)LAG輸出為低電平；當(dāng)輸出電壓超過輸入電壓的90%且無故障時(shí)，F(xiàn)LAG變?yōu)楦咦钁B(tài)。在關(guān)機(jī)、過壓、熱關(guān)斷、欠壓故障或輸出電壓低于輸入電壓的90%時(shí)，F(xiàn)LAG會(huì)拉低，指示故障狀態(tài)。

六、應(yīng)用信息與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

汽車電氣瞬變

在汽車電路中，會(huì)遇到各種電氣瞬變情況，如負(fù)載突降和冷啟動(dòng)。負(fù)載突降是指發(fā)電機(jī)充電時(shí)電池端子斷開，導(dǎo)致總線電壓尖峰；冷啟動(dòng)是指在寒冷天氣下啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，總線電壓下降。MAX16126/MAX16127能有效應(yīng)對這些瞬變，可根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整欠壓閾值，并可連接輸出儲(chǔ)能電容，確保下游電路在冷啟動(dòng)時(shí)能正常工作。

設(shè)置過壓和欠壓閾值

• MAX16126：采用單個(gè)電阻分壓器和三個(gè)電阻來設(shè)置欠壓和過壓閾值。通過特定公式計(jì)算電阻值，以滿足不同的電壓閾值要求。
• MAX16127：使用單獨(dú)的電阻分壓器分別設(shè)置欠壓和過壓閾值，同樣根據(jù)相應(yīng)公式計(jì)算電阻值。

MOSFET選擇與保護(hù)

選擇MOSFET時(shí)，要考慮柵極電容、漏源電壓額定值、導(dǎo)通電阻、峰值功率耗散能力和平均功率耗散限制等因素。一般建議選擇相同型號(hào)的MOSFET，對于空間受限的應(yīng)用，可選擇雙MOSFET。為保護(hù)MOSFET的柵極，需在柵極和源極之間連接齊納鉗位二極管。

增加輸入電壓保護(hù)范圍和工作范圍

• 增加保護(hù)范圍：可在IN引腳和系統(tǒng)地之間連接兩個(gè)背靠背的齊納二極管，并在IN引腳和電源輸入之間串聯(lián)一個(gè)電阻，以限制齊納二極管的電流，從而增加正輸入電壓范圍保護(hù)。
• 增加工作范圍：在GATE和SRC之間添加一個(gè)6.8V的齊納二極管鉗位，可使器件在高于30V的輸入電壓下正常工作，但要確保GATE偏置電壓不超過45V。

輸出儲(chǔ)能電容

輸出電容可作為儲(chǔ)能電容，使下游電路在故障瞬態(tài)條件下仍能繼續(xù)工作。由于輸出電壓受保護(hù)，電容的額定電壓可低于預(yù)期最大輸入電壓。

七、訂購信息與芯片信息

文檔提供了詳細(xì)的訂購信息，包括不同型號(hào)的引腳封裝、頂部標(biāo)記、封裝代碼和功能等。同時(shí)，還介紹了芯片的制程（BiCMOS）和封裝信息，可通過指定網(wǎng)址獲取最新的封裝外形和焊盤圖案信息。

八、總結(jié)

MAX16126/MAX16127負(fù)載突降/反極性保護(hù)電路是一款功能強(qiáng)大、性能可靠的電源保護(hù)器件，適用于汽車、工業(yè)、航空電子、電信/服務(wù)器/網(wǎng)絡(luò)等多種領(lǐng)域。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，我們要根據(jù)具體應(yīng)用需求，合理選擇器件型號(hào)、設(shè)置過壓和欠壓閾值、選擇合適的MOSFET，并注意散熱和輸入電壓保護(hù)等問題。希望今天的分享能對大家在電路設(shè)計(jì)中有所幫助，你在使用類似保護(hù)電路時(shí)遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)交流。