MAX16128/MAX16129：可靠的負載突降/反壓保護電路

在電子設計領域，為電源提供可靠的保護是至關重要的。尤其是在像汽車、工業等惡劣環境中，電源輸入端常常會遇到過壓、反壓和高壓瞬態脈沖等問題。今天要和大家聊聊的 MAX16128/MAX16129 負載突降/反壓保護電路，就能很好地解決這些問題。

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一、產品概述

MAX16128/MAX16129 能夠保護電源免受各種損壞性輸入電壓情況的影響。它利用內置電荷泵控制兩個外部背對背 n 溝道 MOSFET，在出現如汽車負載突降脈沖或反電池等損壞性輸入條件時，可關閉并隔離下游電源。這款器件可確保在 3V 下正常工作，能很好地應對汽車冷啟動的情況。同時，它還設有標志輸出（FLAG），在故障條件下會發出信號。

二、產品特性與優勢

增強惡劣環境中敏感電子元件的保護

1. 寬輸入電壓保護范圍：支持 -36V 至 +90V 的寬輸入電壓保護范圍，能適應多種復雜的電源環境。
2. 快速關斷與負載隔離：在故障條件下能迅速關閉柵極，實現對負載的完全隔離，保護下游設備。
3. 熱關斷保護：當內部管芯溫度超過 145°C 時，會自動關閉 MOSFET，避免過熱損壞。
4. 故障指示：FLAG 輸出可明確識別故障情況，方便工程師進行故障排查。
5. 汽車級認證：適用于汽車環境，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，確保在汽車冷啟動時也能正常運行。

集成化設計減小解決方案尺寸

1. 內置電荷泵：內部電荷泵電路可增強外部 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量。
3. 小封裝：采用 3mm × 3mm、8 引腳的 μMAX 封裝，節省 PCB 空間。

降低功耗

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

支持系統級功能安全

為整個系統提供了更高級別的功能安全保障。

三、電氣特性

電壓相關特性

輸入電壓范圍在 3V 至 -36V 到 +90V 之間。內部欠壓閾值、過壓閾值等都有明確的范圍和精度要求，并且帶有一定的滯后特性，確保了系統的穩定性。例如，內部欠壓閾值在輸入電壓上升時，范圍為 0.97 × V_UV 至 1.03 × V_UV。

電流相關特性

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

時間相關特性

如啟動響應時間、自動重試超時時間、GATE 上升時間等。啟動響應時間典型值為 150μs，自動重試時間超時為 150ms，GATE 上升時間為 1ms 等，這些特性對于系統的快速響應和穩定運行起到關鍵作用。

四、故障保護機制

過壓保護

通過比較器檢測過壓情況，當輸入電壓超過過壓閾值時，GATE 輸出變低，關閉外部 MOSFET，同時 FLAG 輸出信號指示故障。不過，MAX16128 和 MAX16129 在過壓保護的處理方式上有所不同。

• MAX16129（過壓限制器模式）：輸出電壓會被調節在過壓閾值電壓，繼續為下游設備供電。在這種模式下，MOSFET 會循環開關，其開關頻率取決于 MOSFET 的柵極電荷、電荷泵電流、輸出負載電流和輸出電容等因素。但長時間工作在該模式下，需要注意 MOSFET 的散熱問題，以免損壞。
• MAX16128（過壓開關模式）：當輸入電壓超過過壓閾值時，會完全斷開負載與輸入的連接。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

當輸入電壓低于欠壓閾值時，GATE 變低，關閉外部 MOSFET 并觸發 FLAG 信號。當輸入電壓超過欠壓閾值后，經過 150μs 延遲（典型值），GATE 變高。欠壓閾值由器件的后綴選項決定。

冷啟動監測

根據器件后綴的不同，有兩種處理冷啟動故障的方式。一種是禁用冷啟動比較器，只要輸入電壓不低于欠壓閾值，外部 MOSFET 就保持導通；另一種是啟用冷啟動比較器，當輸入電壓低于冷啟動閾值時，通過拉低 GATE 關閉外部 MOSFET，防止反向電流導致負載放電。

熱關斷

當內部管芯溫度超過 145°C 時，熱關斷功能會關閉 MOSFET，當溫度下降 15°C 后，MOSFET 會重新開啟。需要注意的是，不能超過絕對最大結溫（+150°C）。

反壓保護

能夠承受 -36V 的反向電壓，在反向電壓情況下，兩個外部 n 溝道 MOSFET 會關閉，保護負載。在正常工作時，MOSFET 導通，具有極小的正向壓降，相比傳統的反電池保護二極管，功耗更低，壓降更小。

五、應用與設計要點

應用領域

廣泛應用于汽車、工業、航空電子、電信/服務器/網絡等領域。

MOSFET 選擇

選擇合適的 MOSFET 對于設計保護電路至關重要。需要考慮柵極電容、漏源電壓額定值、導通電阻（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 MOSFET 應選用相同的型號，在對尺寸有要求的應用中，可選擇雙 MOSFET 節省 PCB 面積。

MOSFET 功率耗散計算

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

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，其齊納鉗位電壓應高于 10V 且低于 MOSFET 的 (V_{GS}) 最大額定值。

增加輸入電壓保護范圍

為了增加正向輸入電壓保護范圍，可以在 IN 到 GND 之間連接兩個背對背的齊納二極管，并在 IN 和電源輸入端串聯一個電阻，以限制齊納二極管的電流。同時，要注意計算串聯電阻的峰值功率耗散，必要時可采用多個電阻并聯或使用汽車級電阻。

輸出儲能電容

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

六、總結

MAX16128/MAX16129 負載突降/反壓保護電路憑借其出色的保護功能、集成化設計和低功耗特性，為電源保護提供了可靠的解決方案。在實際設計中，合理選擇 MOSFET、做好保護措施和參數計算，能夠充分發揮該器件的優勢，提高整個系統的穩定性和可靠性。各位工程師在遇到類似的電源保護問題時，不妨考慮一下這款器件。你在使用電源保護電路時，遇到過哪些棘手的問題呢？歡迎在評論區留言分享。