深入剖析LM9061与LM9061 - Q1高侧保护控制器

在电子设计领域，高侧保护控制器对于保障电路稳定运行起着至关重要的作用。今天我们就来深入探讨德州仪器（TI）的LM9061和LM9061 - Q1高侧保护控制器，看看它们有哪些独特的特性和应用场景。

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一、产品概述

LM9061和LM9061 - Q1是专为汽车应用而设计的高侧保护控制器，通过了AEC - Q100认证。其中，LM9061 - Q1的人体模型（HBM）静电放电分类等级为2，充电设备模型（CDM）静电放电分类等级为C4B，这表明它在抗静电方面表现出色。该系列产品能够承受60V的电源瞬变，当 (V_{CC}>30V) 时具备过压关断功能，还拥有无损过流保护锁存关断特性，无需电流检测电阻，可有效降低高电流负载下的功耗。

二、产品特性亮点

（一）MOSFET栅极驱动

LM9061内置电荷泵电路，能产生高于电源电压的电压，为高侧MOSFET晶体管提供栅极驱动。无论是单个N沟道功率MOSFET，还是多个并联以满足大电流应用的MOSFET，都能轻松驱动。在使用时，需要注意在MOSFET开启时，栅极的输出电流由 (V{CC}) 电源引脚提供，因此 (V{CC}) 引脚必须用至少为栅极电容10倍且不小于0.1μF的电容进行旁路。

（二）无损过流保护

这是LM9061的一大特色功能。它通过监测MOSFET的漏源电压降 (V_{DS}) 来实现过流保护，而不是像传统方法那样使用串联在负载中的小功率电阻来检测电流。这样做的好处是，所有来自电源的可用能量都能传导到负载，仅存在MOSFET自身的功率损耗。通过合理选择功率MOSFET，可以将这种损耗降到最低。同时，该功能还能让所有应用仅使用标准的廉价¼W或更小的电阻。

（三）延时定时器

延时定时器功能允许MOSFET在短时间内通过超过保护阈值的电流。通过在Delay引脚8连接一个电容到地，可以设置延时时间间隔。当负载电流浪涌使保护比较器输出高电平时，放电晶体管关闭，内部10 - μA电流源开始对延时电容进行线性充电。如果浪涌电流持续时间足够长，电容充电到定时比较器阈值（典型值为5.5V），比较器输出高电平，触发触发器并立即锁存MOSFET关断，直到ON/OFF输入信号从低到高切换才会重新启动。

（四）过压保护

LM9061在 (V{CC}) 电压高达 + 26V时仍能正常工作。当 (V{CC}) 超过典型值 + 30V时，它会关断MOSFET以保护负载免受过高电压的影响。当 (V_{CC}) 回到正常工作范围后，设备无需切换ON/OFF输入即可恢复正常工作，这在诸如汽车应用等容易出现周期性电压瞬变的场景中非常实用。

（五）其他特性

• 反向电池保护：当 (V{CC}) 相对于地为负时，需要将 (V{CC}) 引脚的电流限制在20mA以内，建议在 (V_{CC}) 输入处串联一个二极管，该二极管的压降对电荷泵栅极过驱动输出电压影响不大。
• 欠压关断功能：典型的欠压关断（UVSO）阈值为6.2V，且无滞后现象。当 (V{CC}) 处于7V（确保的最小工作电压）和UVSO阈值之间时，MOSFET栅极驱动、延时定时器和保护电路的操作无法得到保证，应避免在此区域操作。当 (V{CC}) 低于UVSO阈值时，电荷泵禁用，栅极以正常关断电流沉速率（典型值为110μA）放电。

三、应用领域

LM9061和LM9061 - Q1的应用领域十分广泛，涵盖了汽车和工业控制等多个领域：

1. 汽车领域：可用于变速器控制单元（TCU）、发动机控制单元（ECU）、阀门、继电器和螺线管驱动器、灯驱动器等。
2. 工业领域：适用于直流电机PWM驱动器、逻辑控制电源分配开关、电子断路器、高功率音频扬声器等。

四、典型应用案例

（一）驱动多个MOSFET

对于需要多个并联MOSFET来提供必要负载电流的应用，LM9061是一个理想的驱动器。例如，通过四个并联的NDP706A MOSFET组成的电路，在25°C时可提供典型的最大负载电流150A，在125°C时为100A。在设计这类电路时，需要确保所有MOSFET具有相同的电气和热特性，可使用同一制造商的同一型号产品，并使用相同类型的散热器，理想情况下应安装在同一个散热器上。同时，要特别注意MOSFET的电气连接，避免因连接不良导致某个MOSFET在电路中失效。

（二）双向应用

• 背对背MOSFET配置：在传统的LM9061配置中，由于FET的方向，只能在电流从漏极流向源极时切换导通状态。对于可能出现反向电流的应用，可采用背对背MOSFET配置，即在原有的FET基础上串联一个额外的FET，这样可以在LM9061处于关断状态时完全断开负载和电源，防止双向电流。需要注意的是，由于额外FET的加入，会增加栅极电容，导致开启和关断时间增加。为了给LM9061提供合适的电源电压，可使用两个二极管将两个输入连接到 (V_{CC}) ，以确保设备在运行过程中不会与电源断开。
• 具有反向过流保护的双向开关：传统的双向开关无法监测两个方向的过流情况。为了实现具有双向过流保护的双向开关，可使用两个LM9061设备分别控制每个FET，并将ON/OFF引脚连接在一起，这样就可以通过一条线路来切换开关状态。

五、设计注意事项

（一）电源供应

在MOSFET开启时，栅极的输出电流由 (V{CC}) 电源引脚提供，因此 (V{CC}) 引脚必须用至少为栅极电容10倍且不小于0.1μF的电容进行旁路。当 (V{CC}) 相对于地为负时，如在反向电池情况下，需要将 (V{CC}) 引脚的电流限制在20mA以内，建议在 (V_{CC}) 输入处串联一个二极管。

（二）布局设计

• (V{CC}) 的旁路电容应尽可能靠近 (V{CC}) 引脚放置。
• (R{REF}) 电阻应尽可能靠近I (REF) 和接地引脚放置，且走线长度要尽量短，以确保I (REF) 电流的准确性。建议使用15.4kΩ ± 1%的电阻作为 (R{REF}) 。
• 在 (V{CC}) 电源容易受到高瞬态噪声影响的应用中，建议在 (R{REF}) 两端并联一个不大于0.1μF的旁路电容，并将其尽可能靠近I (REF) 引脚放置。
• (R{THRESHOLD}) 和 (SENSE) 电阻应分别尽可能靠近MOSFET的漏极和源极引脚放置，以便准确监测MOSFET的 (V{DS}) 电压。
• 可在通往输出负载的高电流路径上设置一系列过孔，以帮助将热量传导到内层平面区域或底层铜平面。

六、总结

LM9061和LM9061 - Q1高侧保护控制器凭借其丰富的特性和广泛的应用领域，为电子工程师提供了一个强大而可靠的解决方案。在实际设计中，我们需要充分了解其特性和设计注意事项，根据具体应用场景进行合理的选型和设计，以确保电路的稳定性和可靠性。大家在使用过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。