摘要

本文介紹如何使用拋負(fù)載保護(hù)電路來(lái)防止原型制作過(guò)程中出現(xiàn)意外的過(guò)壓/反向電壓情況。這種簡(jiǎn)單的電路能夠在因一時(shí)疏忽而接錯(cuò)電源時(shí)，保護(hù)電路不受損壞，從而避免數(shù)小時(shí)的返工時(shí)間。

引言

擔(dān)任現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師的好處在于可以同時(shí)處理許多不同的電路。這雖然很有趣，但也帶來(lái)了挑戰(zhàn)。在不同電路間切換時(shí)，需要拔插一堆雜亂無(wú)章的引線和探頭，而隨著所涉及線纜數(shù)量的增加，出錯(cuò)的概率呈指數(shù)級(jí)上升。往往最基礎(chǔ)的事項(xiàng)最容易被忽視。即使探頭和引線經(jīng)過(guò)反復(fù)檢查，確認(rèn)無(wú)誤，但如果供電電源的電壓設(shè)置不當(dāng)，仍可能造成嚴(yán)重?fù)p壞，導(dǎo)致數(shù)小時(shí)的返工。

本文所述的電路能夠有效解決上述問(wèn)題?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師在工作中常會(huì)積累大量經(jīng)過(guò)不同程度修改的評(píng)估板，其中一些可以變廢為寶，改造成個(gè)人使用的設(shè)備。該電路基于MAX16126，這是一款過(guò)壓/反向電壓保護(hù)器件，旨在保護(hù)下游電子設(shè)備免受汽車(chē)電路中施加的錯(cuò)誤電壓的影響。此類(lèi)事件可能源于兩種情形：汽車(chē)電池連接錯(cuò)誤，或發(fā)電機(jī)與電池?cái)嚅_(kāi)引起負(fù)載突降，導(dǎo)致電子設(shè)備承受的電壓升高。經(jīng)過(guò)一番改造，MAX16126EVKIT評(píng)估套件在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上使用也非常方便。

電路

如圖1所示，MAX16126是一款負(fù)載突降保護(hù)控制器，旨在保護(hù)下游電子設(shè)備免受汽車(chē)電路中的過(guò)壓/反向電壓故障的影響。它通過(guò)一個(gè)內(nèi)部電荷泵驅(qū)動(dòng)兩個(gè)背靠背N溝道MOSFET，以在輸入電壓位于某一范圍（利用外部電阻進(jìn)行配置）內(nèi)時(shí)提供低損耗的前向路徑。如果輸入電壓過(guò)高或過(guò)低，則對(duì)MOSFET柵極的驅(qū)動(dòng)信號(hào)會(huì)被移除，前向路徑被阻斷，對(duì)負(fù)載的供電隨之中斷。MAX16127與MAX16126類(lèi)似，但在過(guò)壓情況下，它會(huì)使MOSFET振蕩以維持負(fù)載上的電壓。如果輸入端出現(xiàn)反向電壓，MAX16126的GATE和SRC引腳之間的內(nèi)部1 MΩ電阻會(huì)確保MOSFET Q1和Q2保持關(guān)斷，因此負(fù)電壓不會(huì)到達(dá)輸出端。MOSFET以相反方向連接，確保體二極管不傳導(dǎo)電流。

欠壓引腳UVSET用于配置電路的最小斷路閾值，而過(guò)壓引腳OVSET用于配置最大斷路閾值。還有一個(gè)TERM引腳通過(guò)內(nèi)部開(kāi)關(guān)連接到輸入引腳，當(dāng)器件處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，該開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，避免UVSET和OVSET引腳上的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)給輸入電壓帶來(lái)負(fù)載。

在此設(shè)計(jì)中，UVSET引腳連接到TERM引腳，因此當(dāng)器件達(dá)到其最小工作電壓3 V時(shí)，MOSFET導(dǎo)通。OVSET引腳連接到一個(gè)電位計(jì)，調(diào)整該電位計(jì)可改變電路的過(guò)壓斷路閾值。要將斷路閾值設(shè)置為最大電壓，須將電位計(jì)調(diào)整到其最小值。反之，要設(shè)置為最小斷路閾值，須將電位計(jì)調(diào)整到其最大值。當(dāng)OVSET引腳上升到1.225 V以上時(shí)，IC會(huì)關(guān)斷MOSFET。過(guò)壓箝位范圍應(yīng)限制在5 V到30 V之間，從而在電位計(jì)的上方和下方插入電阻以設(shè)置高低閾值。UVSET和OVSET引腳之間連接有齊納二極管，以將這些引腳的電壓限制在5.1 V以下。

假設(shè)使用47 kΩ電阻，則可以計(jì)算出圖1中的上下電阻值。

圖1.過(guò)壓/反向電壓保護(hù)電路

要實(shí)現(xiàn)30 V的斷路閾值，使用方程1：

要實(shí)現(xiàn)5 V的斷路閾值，使用方程2：

將上述方程聯(lián)立，得到方程3：

因此

由此，

使用優(yōu)選值，設(shè)R3 = 10 kΩ且R2 = 180 kΩ。由此得到29 V的上限和5.09 V的下限。這對(duì)于30 V的臺(tái)式電源而言非常理想。

測(cè)試

圖2即為原型PCB。斷路閾值電壓調(diào)整為12.0 V，并對(duì)電路進(jìn)行了測(cè)試。

圖2.經(jīng)過(guò)修改的評(píng)估套件

低閾值測(cè)量結(jié)果為5.06 V，高閾值測(cè)量結(jié)果為28.5 V。使用10 V輸入和1 A負(fù)載時(shí)，輸入和輸出之間測(cè)得的電壓為19 mV，這與MOSFET數(shù)據(jù)手冊(cè)中約10 mΩ的導(dǎo)通電阻相符。

圖3顯示了施加10 V階躍時(shí)電路的響應(yīng)。黃色曲線為輸入電壓，藍(lán)色曲線為輸出電壓。斷路閾值設(shè)置為12 V，因此輸入電壓幾乎沒(méi)有壓降地傳遞到輸出端。

圖3.對(duì)MAX16126的輸入施加10 V階躍

輸入電壓增加到15 V并重新測(cè)試。圖4顯示輸出電壓保持在0 V。

圖4.對(duì)MAX16126的輸入施加15 V階躍

輸入電壓反向，并對(duì)輸入施加-7 V階躍，結(jié)果如圖5所示。

圖5.對(duì)MAX16126的輸入施加-7 V階躍

負(fù)輸入電壓增加到-15 V，再次將其施加到電路的輸入端，結(jié)果如圖6所示。

圖6.對(duì)MAX16126的輸入施加-15 V階躍

當(dāng)輸入變?yōu)樨?fù)電壓時(shí)，探測(cè)MOSFET的柵極引腳時(shí)應(yīng)小心。參考圖1，Q1的體二極管將兩個(gè)源極引腳拉向VIN，后者為負(fù)電壓。MAX16126的GATE和SRC連接之間有一個(gè)1 MΩ內(nèi)部電阻，因此當(dāng)以地為基準(zhǔn)的1 MΩ示波器探頭連接到MOSFET的柵極引腳時(shí)，示波器探頭就像一個(gè)接到0 V的1 MΩ上拉電阻。當(dāng)輸入被拉到負(fù)值時(shí)，0 V、柵極電壓和Q2的源極之間形成一個(gè)電阻分壓器，Q1的體二極管將Q2的源極拉到負(fù)值。當(dāng)輸入電壓被拉到低于Q2導(dǎo)通電壓的兩倍時(shí)，此MOSFET導(dǎo)通，輸出開(kāi)始變?yōu)樨?fù)值。使用阻抗更高的示波器探頭可以克服此問(wèn)題。

結(jié)語(yǔ)

對(duì)MAX16126評(píng)估套件進(jìn)行簡(jiǎn)單修改，即可為用戶在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上測(cè)試電路時(shí)因一時(shí)疏忽而引發(fā)的負(fù)載突降事件中提供可靠保護(hù)。使用評(píng)估套件中的元器件可構(gòu)建一個(gè)低損耗的保護(hù)電路，其額定電壓為90 V，支持高達(dá)50 A的負(fù)載電流。

作者：Simon Bramble，首席應(yīng)用工程師

作者簡(jiǎn)介

Simon Bramble于1991年畢業(yè)于英國(guó)倫敦布魯內(nèi)爾大學(xué)，擁有電氣工程和電子學(xué)學(xué)位，專(zhuān)門(mén)從事模擬電子器件和電源工作。他在職業(yè)生涯里主要從事模擬電子器件工作，曾就職于Maxim和凌力爾特（現(xiàn)在均已并入ADI公司）。