MAX16914/MAX16915：理想的過壓與反接保護(hù)方案

在汽車和工業(yè)系統(tǒng)中，電源的穩(wěn)定性和安全性至關(guān)重要。這些系統(tǒng)常常面臨高壓瞬變、電壓驟降和反接電池等故障情況，需要可靠的保護(hù)措施來確保設(shè)備的正常運(yùn)行。MAX16914/MAX16915低靜態(tài)電流過壓和反接電池保護(hù)控制器，就是為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)而設(shè)計(jì)的理想解決方案。

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一、產(chǎn)品概述

MAX16914/MAX16915專為汽車和工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能夠承受高壓瞬變和故障條件，如負(fù)載突降、電壓驟降和反接輸入電壓。這兩款控制器通過監(jiān)測(cè)電源線的輸入電壓，控制兩個(gè)外部pFET，將負(fù)載與故障條件隔離開來。當(dāng)輸入電源超過4.5V時(shí)，外部pFET開啟，并保持開啟狀態(tài)，直到達(dá)到編程的過壓閾值。在高壓故障條件下，MAX16915將輸出電壓調(diào)節(jié)到設(shè)定的上限閾值電壓，而MAX16914則在過壓瞬變期間切換到高電阻狀態(tài)，以防止下游電路受損。過壓事件通過一個(gè)低電平有效、開漏輸出的OV引腳指示。反接電池pFET表現(xiàn)為理想二極管，正向偏置時(shí)可將電壓降降至最低。在反向偏置條件下，pFET關(guān)閉，防止下游儲(chǔ)能電容向電源放電。

二、產(chǎn)品特性與優(yōu)勢(shì)

2.1 架構(gòu)優(yōu)勢(shì)

• 替代保護(hù)二極管：減少正向電壓，允許在冷啟動(dòng)條件下運(yùn)行。
• 瞬態(tài)電壓保護(hù)：可承受高達(dá)+44V和 -75V的瞬態(tài)電壓。
• 低電壓降：與適當(dāng)尺寸的外部pFET配合使用時(shí)，可實(shí)現(xiàn)低電壓降。
• 寬輸入電壓范圍：支持4.5V至19V的輸入電壓操作。

2.2 理想二極管反接電池保護(hù)

• 支持低至 -75V：在負(fù)電壓瞬變期間保護(hù)系統(tǒng)。
• 防止反向充電：避免下游儲(chǔ)能電容放電。

2.3 過壓保護(hù)

• 承受負(fù)載突降：使系統(tǒng)能夠承受高達(dá)+44V的負(fù)載突降。
• 過壓指示：通過OV引腳指示過壓事件。
• 熱過載保護(hù)：防止設(shè)備過熱損壞。

2.4 低工作電流

• 滿足嚴(yán)格要求：在保持系統(tǒng)保護(hù)的同時(shí)，滿足嚴(yán)格的模塊規(guī)格。
• 低工作電流：典型值為29μA。
• 低關(guān)斷電流：典型值為6μA。

三、引腳配置與功能

四、工作模式與原理

4.1 MAX16914：過壓關(guān)斷控制器

MAX16914中，TERM內(nèi)部短路到VCC，作為過壓關(guān)斷控制器工作。當(dāng)VCC電壓上升并超過編程的過壓閾值時(shí)，內(nèi)部快速比較器關(guān)閉外部p溝道MOSFET（P2），將GATE2拉到VCC，斷開電源與負(fù)載的連接。當(dāng)監(jiān)測(cè)到的電壓低于調(diào)整后的過壓閾值時(shí)，MAX16914增強(qiáng)GATE2，重新連接負(fù)載與電源。

4.2 MAX16915：過壓限幅控制器

MAX16915中，TERM內(nèi)部連接到SENSE OUT，工作在電壓限幅模式。在正常操作期間，GATE2被拉低以完全增強(qiáng)MOSFET。通過TERM、SET和GND之間的電阻分壓器監(jiān)測(cè)外部MOSFET的漏極電壓。當(dāng)輸出電壓超過調(diào)整后的過壓閾值時(shí)，內(nèi)部比較器將GATE2拉到VCC，關(guān)閉P2。當(dāng)監(jiān)測(cè)到的電壓低于過壓閾值（-4%滯后）時(shí)，p溝道MOSFET（P2）再次開啟。在連續(xù)過壓條件下，MOSFET（P2）在過壓閾值和滯后之間循環(huán)開啟和關(guān)閉，產(chǎn)生一個(gè)頻率取決于負(fù)載電容和負(fù)載電流的鋸齒波。這一過程將輸出電壓調(diào)節(jié)在約4%的范圍內(nèi)。

4.3 關(guān)斷模式

MAX16914/MAX16915具有低電平有效關(guān)斷輸入（SHDN）。驅(qū)動(dòng)SHDN為低電平可關(guān)閉FET（P2），斷開輸入與輸出的連接，使IC進(jìn)入低靜態(tài)電流模式，同時(shí)仍保持反接電池保護(hù)功能。

4.4 反接電池保護(hù)

這兩款控制器具備反接電池保護(hù)功能，可防止因電池反接或負(fù)瞬變對(duì)下游電路造成損壞。反接電池保護(hù)可阻止電流流入下游負(fù)載，使電路設(shè)計(jì)人員能夠去除串聯(lián)保護(hù)二極管。

4.5 反向充電關(guān)斷

MAX16914/MAX16915監(jiān)測(cè)SENSE IN和SENSE OUT之間的輸入輸出差分電壓。當(dāng)（VSENSE OUT - VSENSE IN）> 25mV時(shí)，關(guān)閉外部FET（P1），防止在輸入電壓下降（如冷啟動(dòng)條件或電源電壓上疊加正弦電壓）時(shí)，下游儲(chǔ)能電容向電池電源放電。當(dāng)反向充電電壓閾值滯后達(dá)到50mV時(shí)，F(xiàn)ET（P1）再次開啟。

4.6 過壓指示輸出

MAX16914中，當(dāng)VCC超過編程的過壓閾值時(shí)，OV引腳拉低；當(dāng)VCC低于過壓閾值時(shí)，OV引腳釋放。MAX16915中，當(dāng)VOUT超過編程的過壓閾值時(shí)，OV引腳拉低；當(dāng)VOUT下降到過壓閾值以下約4%時(shí)，OV引腳釋放。如果過壓條件持續(xù)存在，OV引腳可能會(huì)以與過壓限幅FET（P2）相同的頻率切換。為獲得邏輯電平輸出，可將一個(gè)45kΩ上拉電阻從OV引腳連接到低于44V的系統(tǒng)電壓。連接一個(gè)電容從OV引腳到GND可延長(zhǎng)邏輯電平保持低電平的時(shí)間。

五、應(yīng)用信息

5.1 負(fù)載突降

在汽車應(yīng)用中，大多數(shù)系統(tǒng)由多節(jié)“12V”鉛酸電池供電，標(biāo)稱電壓在9V至16V之間波動(dòng)。當(dāng)交流發(fā)電機(jī)為電池充電時(shí)，如果電池?cái)嚅_連接，會(huì)發(fā)生負(fù)載突降。此時(shí)，交流發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)器暫時(shí)失控，交流發(fā)電機(jī)的功率流入分布式電源系統(tǒng)，導(dǎo)致每個(gè)模塊的電壓升高。這些電壓尖峰的上升時(shí)間通常大于5ms，在幾百毫秒內(nèi)衰減，但根據(jù)充電系統(tǒng)的特性，可能會(huì)持續(xù)1s或更長(zhǎng)時(shí)間。MAX16914/MAX16915能夠有效應(yīng)對(duì)這些負(fù)載突降情況，保護(hù)下游電路。

5.2 設(shè)置過壓閾值

TERM和SET引腳提供了一種精確設(shè)置MAX16914/MAX16915過壓電平的方法?？墒褂秒娮璺謮浩鱽碓O(shè)置所需的過壓條件。VSET的上升閾值為1.20V，下降滯后為4%。首先選擇總端到端電阻RTOTAL = R1 + R2，為了獲得高精度，應(yīng)選擇RTOTAL使得總電流至少為100 x ISET（ISET為SET引腳的輸入偏置電流）。然后使用公式R2 = (VTH × RTOTAL ) / VOV計(jì)算R2（VTH為1.20V的SET上升閾值，VOV為所需的過壓閾值），并選擇最接近計(jì)算值的標(biāo)準(zhǔn)電阻。最后根據(jù)RTOTAL = R2 + R1計(jì)算R1，并選擇最接近計(jì)算值的標(biāo)準(zhǔn)電阻。較低的總電阻值會(huì)消耗更多的功率，但可提供稍高的精度。

5.3 MOSFET選擇

5.3.1 輸出p溝道MOSFET（P2）

應(yīng)根據(jù)應(yīng)用電流水平選擇外部輸出MOSFET。MOSFET的導(dǎo)通電阻（RDS(ON)）應(yīng)足夠低，以在滿載時(shí)實(shí)現(xiàn)最小的電壓降，從而限制MOSFET的功耗。在MAX16915以過壓限幅模式運(yùn)行時(shí)，需要確定設(shè)備的功率額定值以應(yīng)對(duì)過壓故障。在正常操作期間，外部MOSFET的功耗較小，計(jì)算公式為PNORM = ILOAD2 × RDS(ON)（PNORM為正常操作時(shí)MOSFET的功耗，ILOAD為輸出負(fù)載電流，RDS(ON)為MOSFET的漏源電阻）。在MAX16915以電壓限幅模式運(yùn)行時(shí)，輸出MOSFET的最壞情況功耗發(fā)生在長(zhǎng)時(shí)間過壓事件期間，計(jì)算公式為POVLO = VDS × ILOAD（POVLO為過壓限幅操作時(shí)MOSFET的功耗，VDS為MOSFET漏源之間的電壓，ILOAD為負(fù)載電流）。

5.3.2 反極性保護(hù)MOSFET（P1）

在電池供電應(yīng)用中，通常需要反向電壓保護(hù)。MAX16914/MAX16915的高電壓GATE1驅(qū)動(dòng)電路允許用戶用低電壓降的MOSFET替換高電壓降的串聯(lián)二極管。在正常操作模式下，內(nèi)部GATE1輸出電路增強(qiáng)P1，確保P1以低RDS(ON)模式運(yùn)行，同時(shí)在高電池電壓應(yīng)用或瞬變期間，不會(huì)對(duì)柵源結(jié)造成過應(yīng)力。當(dāng)VCC低于10V時(shí)，GATE1限制在GND，將P1的VGS降低到VCC。在反接電池條件下，GATE1限制在GND，P1的柵源結(jié)反向偏置，P1關(guān)閉，使MAX16914/MAX16915和負(fù)載電路免受反接電池電壓的影響。在安裝P1時(shí)，應(yīng)注意其正確的方向，以確保反接電池保護(hù)功能正常工作。

5.4 熱關(guān)斷

MAX16914/MAX16915具有熱關(guān)斷功能。當(dāng)IC結(jié)溫超過170°C時(shí)，熱傳感器向關(guān)斷邏輯發(fā)出信號(hào)，關(guān)閉GATE1和GATE2輸出，使設(shè)備冷卻。當(dāng)IC結(jié)溫下降20°C后，熱傳感器再次開啟GATE1和GATE2。為確保連續(xù)運(yùn)行，請(qǐng)勿超過絕對(duì)最大結(jié)溫150°C的額定值。

六、總結(jié)

MAX16914/MAX16915是一款功能強(qiáng)大的過壓和反接電池保護(hù)控制器，適用于汽車和工業(yè)系統(tǒng)。其豐富的特性和靈活的工作模式使其能夠有效應(yīng)對(duì)各種電源故障情況，保護(hù)下游電路的安全。在選擇和應(yīng)用這兩款控制器時(shí)，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理設(shè)置過壓閾值，選擇合適的MOSFET，并注意熱管理等問題。希望本文能夠?yàn)?a target="_blank">電子工程師在設(shè)計(jì)過程中提供有價(jià)值的參考。你在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過類似的電源保護(hù)問題？你是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。