MAX16914：理想的过压与反接保护方案

MAX16914/MAX16915：理想的过压与反接保护方案

在汽车和工业系统中，电源的稳定性和安全性至关重要。这些系统常常面临高压瞬变、电压骤降和反接电池等故障情况，需要可靠的保护措施来确保设备的正常运行。MAX16914/MAX16915低静态电流过压和反接电池保护控制器，就是为应对这些挑战而设计的理想解决方案。

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一、产品概述

MAX16914/MAX16915专为汽车和工业系统设计，能够承受高压瞬变和故障条件，如负载突降、电压骤降和反接输入电压。这两款控制器通过监测电源线的输入电压，控制两个外部pFET，将负载与故障条件隔离开来。当输入电源超过4.5V时，外部pFET开启，并保持开启状态，直到达到编程的过压阈值。在高压故障条件下，MAX16915将输出电压调节到设定的上限阈值电压，而MAX16914则在过压瞬变期间切换到高电阻状态，以防止下游电路受损。过压事件通过一个低电平有效、开漏输出的OV引脚指示。反接电池pFET表现为理想二极管，正向偏置时可将电压降降至最低。在反向偏置条件下，pFET关闭，防止下游储能电容向电源放电。

二、产品特性与优势

2.1 架构优势

• 替代保护二极管：减少正向电压，允许在冷启动条件下运行。
• 瞬态电压保护：可承受高达+44V和 -75V的瞬态电压。
• 低电压降：与适当尺寸的外部pFET配合使用时，可实现低电压降。
• 宽输入电压范围：支持4.5V至19V的输入电压操作。

2.2 理想二极管反接电池保护

• 支持低至 -75V：在负电压瞬变期间保护系统。
• 防止反向充电：避免下游储能电容放电。

2.3 过压保护

• 承受负载突降：使系统能够承受高达+44V的负载突降。
• 过压指示：通过OV引脚指示过压事件。
• 热过载保护：防止设备过热损坏。

2.4 低工作电流

• 满足严格要求：在保持系统保护的同时，满足严格的模块规格。
• 低工作电流：典型值为29µA。
• 低关断电流：典型值为6µA。

三、引脚配置与功能

引脚	名称	功能
1	VCC	正电源输入电压，需用0.1µF或更大的陶瓷电容旁路到GND。
2	GATE1	栅极驱动输出，连接到外部p沟道FET开关的栅极，提供低漏源电压降、反向电压保护和反向充电防止功能。
3	SENSE IN	差分电压检测输入（IC输入侧），与SENSE OUT配合使用，当SENSE IN电压低于SENSE OUT电压25mV时，防止反向充电。
4	SHDN	低电平有效关断/唤醒输入，驱动SHDN为高电平可开启电压检测器。当SHDN为低电平时，GATE2短路到VCC。SHDN通过一个0.5µA的电流源内部下拉到GND。将SHDN连接到VCC可实现始终开启操作。
5	OV	开漏过压指示输出，需连接一个上拉电阻到正电源，如VCC。当SET引脚电压超过内部阈值时，OV引脚被拉低。
6	GND	接地。
7	SET	控制器过压阈值编程输入，连接到TERM和GND之间的外部电阻分压器网络的中心，以调整所需的过压关断或限幅阈值。
8	TERM	分压器终端输出，MAX16915中TERM内部连接到SENSE OUT，MAX16914中TERM内部连接到VCC。当SHDN为低电平时，TERM为高阻抗，使连接到TERM的电阻分压器中的电流为零。
9	SENSE OUT	差分电压检测输入（IC输出侧），与SENSE IN配合使用，当SENSE IN电压低于SENSE OUT电压25mV时，防止反向充电。
10	GATE2	栅极驱动输出，连接到外部p沟道FET开关的栅极。在正常操作期间，GATE2被拉低；在过压条件下，GATE2被快速调节或短路到VCC。当SHDN为低电平时，GATE2短路到VCC。

四、工作模式与原理

4.1 MAX16914：过压关断控制器

MAX16914中，TERM内部短路到VCC，作为过压关断控制器工作。当VCC电压上升并超过编程的过压阈值时，内部快速比较器关闭外部p沟道MOSFET（P2），将GATE2拉到VCC，断开电源与负载的连接。当监测到的电压低于调整后的过压阈值时，MAX16914增强GATE2，重新连接负载与电源。

4.2 MAX16915：过压限幅控制器

MAX16915中，TERM内部连接到SENSE OUT，工作在电压限幅模式。在正常操作期间，GATE2被拉低以完全增强MOSFET。通过TERM、SET和GND之间的电阻分压器监测外部MOSFET的漏极电压。当输出电压超过调整后的过压阈值时，内部比较器将GATE2拉到VCC，关闭P2。当监测到的电压低于过压阈值（-4%滞后）时，p沟道MOSFET（P2）再次开启。在连续过压条件下，MOSFET（P2）在过压阈值和滞后之间循环开启和关闭，产生一个频率取决于负载电容和负载电流的锯齿波。这一过程将输出电压调节在约4%的范围内。

4.3 关断模式

MAX16914/MAX16915具有低电平有效关断输入（SHDN）。驱动SHDN为低电平可关闭FET（P2），断开输入与输出的连接，使IC进入低静态电流模式，同时仍保持反接电池保护功能。

4.4 反接电池保护

这两款控制器具备反接电池保护功能，可防止因电池反接或负瞬变对下游电路造成损坏。反接电池保护可阻止电流流入下游负载，使电路设计人员能够去除串联保护二极管。

4.5 反向充电关断

MAX16914/MAX16915监测SENSE IN和SENSE OUT之间的输入输出差分电压。当（VSENSE OUT - VSENSE IN）> 25mV时，关闭外部FET（P1），防止在输入电压下降（如冷启动条件或电源电压上叠加正弦电压）时，下游储能电容向电池电源放电。当反向充电电压阈值滞后达到50mV时，FET（P1）再次开启。

4.6 过压指示输出

MAX16914中，当VCC超过编程的过压阈值时，OV引脚拉低；当VCC低于过压阈值时，OV引脚释放。MAX16915中，当VOUT超过编程的过压阈值时，OV引脚拉低；当VOUT下降到过压阈值以下约4%时，OV引脚释放。如果过压条件持续存在，OV引脚可能会以与过压限幅FET（P2）相同的频率切换。为获得逻辑电平输出，可将一个45kΩ上拉电阻从OV引脚连接到低于44V的系统电压。连接一个电容从OV引脚到GND可延长逻辑电平保持低电平的时间。

五、应用信息

5.1 负载突降

在汽车应用中，大多数系统由多节“12V”铅酸电池供电，标称电压在9V至16V之间波动。当交流发电机为电池充电时，如果电池断开连接，会发生负载突降。此时，交流发电机电压调节器暂时失控，交流发电机的功率流入分布式电源系统，导致每个模块的电压升高。这些电压尖峰的上升时间通常大于5ms，在几百毫秒内衰减，但根据充电系统的特性，可能会持续1s或更长时间。MAX16914/MAX16915能够有效应对这些负载突降情况，保护下游电路。

5.2 设置过压阈值

TERM和SET引脚提供了一种精确设置MAX16914/MAX16915过压电平的方法。可使用电阻分压器来设置所需的过压条件。VSET的上升阈值为1.20V，下降滞后为4%。首先选择总端到端电阻RTOTAL = R1 + R2，为了获得高精度，应选择RTOTAL使得总电流至少为100 x ISET（ISET为SET引脚的输入偏置电流）。然后使用公式R2 = (VTH × RTOTAL ) / VOV计算R2（VTH为1.20V的SET上升阈值，VOV为所需的过压阈值），并选择最接近计算值的标准电阻。最后根据RTOTAL = R2 + R1计算R1，并选择最接近计算值的标准电阻。较低的总电阻值会消耗更多的功率，但可提供稍高的精度。

5.3 MOSFET选择

5.3.1 输出p沟道MOSFET（P2）

应根据应用电流水平选择外部输出MOSFET。MOSFET的导通电阻（RDS(ON)）应足够低，以在满载时实现最小的电压降，从而限制MOSFET的功耗。在MAX16915以过压限幅模式运行时，需要确定设备的功率额定值以应对过压故障。在正常操作期间，外部MOSFET的功耗较小，计算公式为PNORM = ILOAD² × RDS(ON)（PNORM为正常操作时MOSFET的功耗，ILOAD为输出负载电流，RDS(ON)为MOSFET的漏源电阻）。在MAX16915以电压限幅模式运行时，输出MOSFET的最坏情况功耗发生在长时间过压事件期间，计算公式为POVLO = VDS × ILOAD（POVLO为过压限幅操作时MOSFET的功耗，VDS为MOSFET漏源之间的电压，ILOAD为负载电流）。

5.3.2 反极性保护MOSFET（P1）

在电池供电应用中，通常需要反向电压保护。MAX16914/MAX16915的高电压GATE1驱动电路允许用户用低电压降的MOSFET替换高电压降的串联二极管。在正常操作模式下，内部GATE1输出电路增强P1，确保P1以低RDS(ON)模式运行，同时在高电池电压应用或瞬变期间，不会对栅源结造成过应力。当VCC低于10V时，GATE1限制在GND，将P1的VGS降低到VCC。在反接电池条件下，GATE1限制在GND，P1的栅源结反向偏置，P1关闭，使MAX16914/MAX16915和负载电路免受反接电池电压的影响。在安装P1时，应注意其正确的方向，以确保反接电池保护功能正常工作。

5.4 热关断

MAX16914/MAX16915具有热关断功能。当IC结温超过170°C时，热传感器向关断逻辑发出信号，关闭GATE1和GATE2输出，使设备冷却。当IC结温下降20°C后，热传感器再次开启GATE1和GATE2。为确保连续运行，请勿超过绝对最大结温150°C的额定值。

六、总结

MAX16914/MAX16915是一款功能强大的过压和反接电池保护控制器，适用于汽车和工业系统。其丰富的特性和灵活的工作模式使其能够有效应对各种电源故障情况，保护下游电路的安全。在选择和应用这两款控制器时，需要根据具体的应用需求，合理设置过压阈值，选择合适的MOSFET，并注意热管理等问题。希望本文能够为电子工程师在设计过程中提供有价值的参考。你在实际应用中是否遇到过类似的电源保护问题？你是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。