MAX4959/MAX4960：高電壓過壓保護與電池切換解決方案

在電子設備的設計中，過壓保護和電池切換功能至關重要，它們能確保設備在復雜的電源環境下穩定運行。Maxim Integrated推出的MAX4959/MAX4960芯片，為低電壓系統提供了高達+28V的過壓保護以及電池切換功能，下面我們來詳細了解一下這款芯片。

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一、產品概述

MAX4959/MAX4960過壓保護控制器可保護低電壓系統免受高達+28V的高壓故障影響。當輸入電壓超過過壓鎖定（OVLO）閾值時，這些設備會關閉外部pFET，防止受保護組件受損。欠壓鎖定（UVLO）閾值則會使外部pFET保持關閉狀態，直到輸入電壓升至正確水平。此外，當插入不正確的低功率適配器時，還有額外的安全功能會鎖定pFET。

該芯片還能控制外部電池切換pFET（P2），在交流適配器拔掉時切換到電池供電。欠壓和過壓跳閘電平可通過外部電阻進行調整。輸入通過一個1μF陶瓷電容接地旁路時，可抵御±15kV HBM ESD。所有設備均采用小型10引腳（2mm x 2mm）μDFN封裝，工作溫度范圍為 -40°C至 +85°C。

二、應用領域

MAX4959/MAX4960適用于多種電子設備，如筆記本電腦、便攜式電腦、攝像機和超移動PC等。這些設備通常需要可靠的電源保護和電池切換功能，以確保在不同電源條件下穩定運行。

三、產品特性

1. 過壓保護：高達+28V的過壓保護，±2.5%的精確外部可調OVLO/UVLO閾值，能有效應對各種過壓情況。
2. 電池切換：具備電池切換pFET控制功能，可在適配器拔掉時自動切換到電池供電，保證設備持續運行。
3. 電源適配器保護：防止不正確的電源適配器對設備造成損害，提高系統的穩定性。
4. 低功耗：典型供電電流僅為100μA，有助于降低設備的功耗。
5. 輸入去抖和消隱時間：25ms的輸入去抖定時器和25ms的消隱時間，可有效過濾干擾信號，提高系統的可靠性。
6. 小型封裝：采用10引腳（2mm x 2mm）μDFN封裝，節省電路板空間。

四、電氣特性

輸入電壓范圍

輸入電壓范圍為4V至28V，可適應不同的電源環境。

過壓和欠壓閾值

過壓可調跳閘范圍為6V至28V，欠壓可調跳閘范圍為5V至28V，可根據實際需求進行調整。

參考電壓

過壓比較參考電壓（OV REF）和欠壓比較參考電壓（UV REF）在VIN上升沿和下降沿分別為1.18V至1.276V。

漏電流

OVS和UVS輸入漏電流范圍為 -100nA至 +100nA，確保芯片的穩定性。

跳閘滯后

過壓和欠壓跳閘滯后均為1%，可避免頻繁跳閘。

電源電流

IN電源電流在VIN = +19V，VOVS < OV REF和VUVS > UV REF時，典型值為100μA，最大值為300μA；VDD電源電流在VDD = +5V，VIN = 0V時，最大值為10μA。

開關電阻

GATE1和GATE2的開漏MOS導通電阻在特定條件下最大值為1kΩ。

定時參數

去抖時間為10ms至40ms，GATE1和GATE2從CB引腳的斷言延遲典型值為50ns，消隱時間為10ms至40ms。

五、引腳描述

六、詳細工作原理

欠壓鎖定（UVLO）

MAX4959/MAX4960的欠壓鎖定閾值可在+5V至+28V范圍內調節。當VIN小于VUVLO時，設備會等待一個消隱時間tBLANK，以判斷故障是否仍然存在。如果在tBLANK結束時故障不存在，P1保持導通；如果VIN小于VUVLO的時間超過消隱時間，設備會關閉P1，直到VIN < 0.75V時P1才會再次導通。

過壓鎖定（OVLO）

過壓鎖定閾值可在+6V至+28V范圍內調節。當VIN大于VOVLO時，設備會立即關閉P1。當VIN下降到VOVLO以下時，經過去抖時間后P1會再次導通。

不同電源情況分析

1. 高電壓適配器（VIN > VOVLO）：如果插入電壓高于VOVLO的適配器，MAX4959/MAX4960處于過壓保護狀態，P1保持關閉或立即關閉。過壓保護沒有消隱時間，但當IN電壓下降到VOVLO以下但高于VUVLO時，去抖時間起作用。此時，CB引腳不控制P1。
2. 正確適配器（VUVLO < VIN < VOVLO）：插入適配器后，設備會經過一個20ms（典型值）的去抖時間，確保IN電壓在VUVLO和VOVLO之間后才會導通P1。在這種狀態下，CB引腳控制P1和P2。
3. 低功率適配器或干擾情況：如果適配器電壓正確但功率不足，MAX4959/MAX4960會保護pFET P1免受振蕩影響。插入適配器時，P1初始為關閉狀態，電壓正常。經過去抖時間后P1導通，低功率適配器電壓會被拉低到VUVLO以下。設備會等待10ms的消隱時間，確保不是臨時干擾。如果故障仍然存在，會鎖定P1，直到適配器拔掉（VIN < 0.75V）并重新插入。
4. 適配器未插入（VIN < VUVLO）：當輸入電壓VIN下降到4.4V以下時，P1會自動關閉，直到適配器拔掉（VIN < 0.75V）并重新插入才會再次導通。適配器未插入時，P1通過柵源電阻保持關閉狀態，CB引腳控制電池切換pFET P2。

七、應用設計要點

MOSFET配置與選擇

MAX4959/MAX4960可與單個MOSFET配置使用，以低成本方式調節電壓。為降低導通電阻，外部MOSFET可采用多個pFET并聯。大多數情況下，VGS為4.5V時RDS(ON)指定的MOSFET效果良好，且MOSFET的VDS ≥ 30V可承受MAX4959/MAX4960的+28V輸入范圍。

過壓/欠壓窗口電阻選擇

MAX4959/MAX4960包含欠壓和過壓比較器，用于窗口檢測。通過外部電阻分壓器設置OVLO和UVLO閾值。電阻值R1、R2和R3的計算方法如下：

1. 選擇RTOTAL（R1 + R2 + R3）的值，由于芯片輸入阻抗很高，RTOTAL可達5MΩ。
2. 根據RTOTAL和所需的VOVLO跳閘點計算R3：[R 3=frac{OV{REF } × R{TOTAL }}{V_{OVLO }}]
3. 根據RTOTAL、R3和所需的VUVLO跳閘點計算R2：[R 2=left[frac{U V{REF } × R{TOTAL }}{V_{UVLO }}right]-R 3]
4. 根據RTOTAL、R2和R3計算R1：[R 1= RTOTAL - R 2-R 3]

需注意，外部設置的OVLO和UVLO閾值之比不得超過4。

VDD電容選擇

VDD由線性穩壓器調節至+5V。由于最小外部可調UVLO跳閘閾值為+5V，VDD范圍為+5V至+28V。VDD電容必須足夠大，以在VIN降至0V時為設備提供外部可設置時間tHOLD的電源。電容值計算公式為：[C=(IVDD × tHOLD) /(VDD - VDDUVLO)]

最壞情況下，當VIN = +5V，VDD = VIN - 0.8V = +4.2V，IVDD = 10μA（最大值），tHOLD為20ms時，C = (10μA × 20ms) / (4.2V - 2.2V) = 100nF。電容必須大于100nF以確保內部穩壓器穩定，且需具有低ESR和低泄漏電流，如陶瓷電容。

IN旁路考慮

大多數應用中，需通過一個1μF陶瓷電容將IN接地旁路。如果電源因長引線長度具有顯著電感，需注意防止LC諧振電路引起的過沖，并在必要時提供保護，以防止VIN超過+30V的絕對最大額定值。如果存在負電壓問題，可從IN到GND連接一個肖特基二極管以鉗位負輸入電壓。

ESD測試條件

當IN通過一個1μF陶瓷電容接地旁路時，MAX4959/MAX4960可抵御±15kV人體模型ESD。

八、總結

MAX4959/MAX4960為電子設備的電源保護和電池切換提供了可靠的解決方案。其豐富的功能和靈活的配置選項，使其適用于多種應用場景。在設計過程中，工程師需根據具體需求合理選擇MOSFET、電阻和電容等元件，以確保系統的穩定性和可靠性。你在使用類似芯片時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗。