MAX16129：可靠的负载突降/反压保护电路

MAX16128/MAX16129：可靠的负载突降/反压保护电路

在电子设计领域，为电源提供可靠的保护是至关重要的。尤其是在像汽车、工业等恶劣环境中，电源输入端常常会遇到过压、反压和高压瞬态脉冲等问题。今天要和大家聊聊的 MAX16128/MAX16129 负载突降/反压保护电路，就能很好地解决这些问题。

文件下载：MAX16129.pdf

一、产品概述

MAX16128/MAX16129 能够保护电源免受各种损坏性输入电压情况的影响。它利用内置电荷泵控制两个外部背对背 n 沟道 MOSFET，在出现如汽车负载突降脉冲或反电池等损坏性输入条件时，可关闭并隔离下游电源。这款器件可确保在 3V 下正常工作，能很好地应对汽车冷启动的情况。同时，它还设有标志输出（FLAG），在故障条件下会发出信号。

二、产品特性与优势

增强恶劣环境中敏感电子元件的保护

1. 宽输入电压保护范围：支持 -36V 至 +90V 的宽输入电压保护范围，能适应多种复杂的电源环境。
2. 快速关断与负载隔离：在故障条件下能迅速关闭栅极，实现对负载的完全隔离，保护下游设备。
3. 热关断保护：当内部管芯温度超过 145°C 时，会自动关闭 MOSFET，避免过热损坏。
4. 故障指示：FLAG 输出可明确识别故障情况，方便工程师进行故障排查。
5. 汽车级认证：适用于汽车环境，工作温度范围为 -40°C 至 +125°C。
6. 低电压工作能力：能够在低至 3V 的电压下工作，确保在汽车冷启动时也能正常运行。

集成化设计减小解决方案尺寸

1. 内置电荷泵：内部电荷泵电路可增强外部 n 沟道 MOSFET 的性能。
2. 固定阈值：采用固定的欠压/过压阈值，减少了外部元件的数量。
3. 小封装：采用 3mm × 3mm、8 引脚的 μMAX 封装，节省 PCB 空间。

降低功耗

1. 低电压降：在反压保护方面，具有最小的工作电压降。
2. 低电流消耗：在 30V 输入时，电源电流仅为 380μA，关断电流为 100μA。

支持系统级功能安全

为整个系统提供了更高级别的功能安全保障。

三、电气特性

电压相关特性

输入电压范围在 3V 至 -36V 到 +90V 之间。内部欠压阈值、过压阈值等都有明确的范围和精度要求，并且带有一定的滞后特性，确保了系统的稳定性。例如，内部欠压阈值在输入电压上升时，范围为 0.97 × V_UV 至 1.03 × V_UV。

电流相关特性

包括输入电源电流、SRC 输入电流、GATE 输出相关的电流等。不同的工作条件下（如不同的输入电压、SHDN 状态），电流值有所不同。比如，在 V_IN = V_SRC = V_OUT = 12V、SHDN = high 时，SRC 输入电流范围为 36μA 至 200μA。

时间相关特性

如启动响应时间、自动重试超时时间、GATE 上升时间等。启动响应时间典型值为 150μs，自动重试时间超时为 150ms，GATE 上升时间为 1ms 等，这些特性对于系统的快速响应和稳定运行起到关键作用。

四、故障保护机制

过压保护

通过比较器检测过压情况，当输入电压超过过压阈值时，GATE 输出变低，关闭外部 MOSFET，同时 FLAG 输出信号指示故障。不过，MAX16128 和 MAX16129 在过压保护的处理方式上有所不同。

• MAX16129（过压限制器模式）：输出电压会被调节在过压阈值电压，继续为下游设备供电。在这种模式下，MOSFET 会循环开关，其开关频率取决于 MOSFET 的栅极电荷、电荷泵电流、输出负载电流和输出电容等因素。但长时间工作在该模式下，需要注意 MOSFET 的散热问题，以免损坏。
• MAX16128（过压开关模式）：当输入电压超过过压阈值时，会完全断开负载与输入的连接。并且可以配置不同的重试模式，如总是重试、一次重试后锁存、三次重试后锁存、直接锁存等，每次重试之间有 150ms 的延迟。

欠压保护

当输入电压低于欠压阈值时，GATE 变低，关闭外部 MOSFET 并触发 FLAG 信号。当输入电压超过欠压阈值后，经过 150μs 延迟（典型值），GATE 变高。欠压阈值由器件的后缀选项决定。

冷启动监测

根据器件后缀的不同，有两种处理冷启动故障的方式。一种是禁用冷启动比较器，只要输入电压不低于欠压阈值，外部 MOSFET 就保持导通；另一种是启用冷启动比较器，当输入电压低于冷启动阈值时，通过拉低 GATE 关闭外部 MOSFET，防止反向电流导致负载放电。

热关断

当内部管芯温度超过 145°C 时，热关断功能会关闭 MOSFET，当温度下降 15°C 后，MOSFET 会重新开启。需要注意的是，不能超过绝对最大结温（+150°C）。

反压保护

能够承受 -36V 的反向电压，在反向电压情况下，两个外部 n 沟道 MOSFET 会关闭，保护负载。在正常工作时，MOSFET 导通，具有极小的正向压降，相比传统的反电池保护二极管，功耗更低，压降更小。

五、应用与设计要点

应用领域

广泛应用于汽车、工业、航空电子、电信/服务器/网络等领域。

MOSFET 选择

选择合适的 MOSFET 对于设计保护电路至关重要。需要考虑栅极电容、漏源电压额定值、导通电阻（R_DS(ON)）、峰值功率耗散能力和平均功率耗散限制等因素。一般来说，两个 MOSFET 应选用相同的型号，在对尺寸有要求的应用中，可选择双 MOSFET 节省 PCB 面积。

MOSFET 功率耗散计算

• 正常工作时：每个 MOSFET 的功率耗散可通过公式 (P = I{LOAD}^{2} × R{DS(ON)}) 计算，其中 (I_{LOAD}) 是平均负载电流。
• 故障条件下（限制器模式）：两个 MOSFET 的平均功率耗散可通过公式 (P = I{LOAD} times (V{IN } - V_{OUT })) 计算，同时要注意不能超过 MOSFET 的峰值功率额定值。

MOSFET 栅极保护

为了保护 MOSFET 的栅极，需要在栅极和源极之间连接一个齐纳钳位二极管，其齐纳钳位电压应高于 10V 且低于 MOSFET 的 (V_{GS}) 最大额定值。

增加输入电压保护范围

为了增加正向输入电压保护范围，可以在 IN 到 GND 之间连接两个背对背的齐纳二极管，并在 IN 和电源输入端串联一个电阻，以限制齐纳二极管的电流。同时，要注意计算串联电阻的峰值功率耗散，必要时可采用多个电阻并联或使用汽车级电阻。

输出储能电容

输出电容可以作为储能电容，让下游电路在故障瞬态条件下继续工作。由于输出电压受到输入电压瞬变的保护，电容的电压额定值可以低于预期的最大输入电压。

六、总结

MAX16128/MAX16129 负载突降/反压保护电路凭借其出色的保护功能、集成化设计和低功耗特性，为电源保护提供了可靠的解决方案。在实际设计中，合理选择 MOSFET、做好保护措施和参数计算，能够充分发挥该器件的优势，提高整个系统的稳定性和可靠性。各位工程师在遇到类似的电源保护问题时，不妨考虑一下这款器件。你在使用电源保护电路时，遇到过哪些棘手的问题呢？欢迎在评论区留言分享。