設計汽車過壓保護原型

擔任現場應用工程師的好處在於可以同時處理許多不同的電路，這雖然很有趣，但是也帶來了挑戰。在不同電路間切換時，需要插拔一堆雜亂無章的引線和探頭，而隨著所涉及線纜數量的增加，出錯的概率呈現指數級上升。最基礎的事項往往最容易被忽視，因此即使探頭和引線經過反覆檢查且確認無誤，但如果供電電源的電壓設定不當，仍可能造成嚴重損壞，導致數小時的重工。

本文敘述的電路能夠有效解決上述問題。現場應用工程師在工作中常會累積大量經過不同程度修改的評估板，其中部分資源可以活化成個人使用。該電路基於一款過壓/反向電壓保護元件MAX16126，目的在於保護下游電子設備免受車用電路中施加的錯誤電壓的影響。

此類事件可能源於兩種情形：汽車電池連接錯誤，或發電機與電池斷開引起負載突降，導致電子設備承受的電壓升高。經過一番改造，MAX16126EVKIT評估套件在實驗台上使用也非常方便。

電路

如圖一所示，MAX16126是一款負載突降保護控制器，目的在保護下游電子設備免受車用電路中的過壓/反向電壓故障的影響。其透過一個內部電荷泵驅動兩個背靠背N通道MOSFET，以在輸入電壓位於某一範圍（利用外部電阻進行配置）內時提供低損耗的前向路徑。如果輸入電壓過高或過低，則對MOSFET閘極的驅動訊號會被移除，前向路徑被阻斷，對負載的供電隨之中斷。

MAX16127與MAX16126類似，但在過壓情況下，它會使MOSFET振盪以維持負載上的電壓。如果輸入端出現反向電壓，MAX16126的GATE和SRC接腳之間的內部1 MΩ電阻會確保MOSFET Q1和Q2保持關斷，因此負電壓不會到達輸出端。MOSFET以相反方向連接，以確保體二極體不會傳導電流。

欠壓接腳UVSET用於配置電路的最小斷路閾值，而過壓接腳OVSET用於配置最大斷路閾值。還有一個TERM接腳透過內部開關連接到輸入接腳，當元件處於關斷狀態時，該開關斷開，避免UVSET和OVSET接腳上的電阻分壓網路給輸入電壓帶來負載。

在此設計中，UVSET接腳連接到TERM接腳，因此當元件達到其最小工作電壓3 V時，MOSFET導通。OVSET接腳連接到一個電位計，調整該電位計可改變電路的過壓斷路閾值。要將斷路閾值設定為最大電壓，須將電位計調整到其最小值。反之，要設定為最小斷路閾值，須將電位計調整到其最大值。

當OVSET接腳上升到1.225 V以上時，IC會關斷MOSFET。過壓箝位範圍應限制在5 V到30 V之間，進而在電位計的上方和下方插入電阻以設定高低閾值。UVSET和OVSET接腳之間連接有齊納二極體，以將這些接腳的電壓限制在5.1 V以下。

假設使用47 kΩ 電阻，則可以計算出圖一中的上下電阻值。

圖一 : 過壓/反向電壓保護電路

要實現30 V的斷路閾值，使用公式1：

(R3 / R2+47k+R3) x 30 V = 1.225 V (1)

要實現5 V的斷路閾值，使用公式2：

(R3 + 47k / R2 + 47k +R3) x 5 V = 1.225 V (2)

將上述公式聯立，得到公式3：

(R3 / R2 + 47k + R3) x 30 V = (R3 + 47k / R2 + 47k + R3) x 5 V (3)

因此

30 x R3 = 5 x (R3 + 47k)

R3 = 9400 Ω (4)

由此，

R2 = 173,804 Ω (5)

使用優選值，設R3 = 10 kΩ 且 R2 = 180 kΩ。由此得到29 V的上限和5.09 V的下限。這對於30 V的桌上型電源而言，非常理想。

測試

圖二即為原型PCB。斷路閾值電壓調整為12.0 V，並對電路進行了測試。

圖二 : 經過修改的評估套件

低閾值測量結果為5.06 V，高閾值測量結果為28.5 V。使用10 V輸入和1 A負載時，輸入和輸出之間測得的電壓為19 mV，這與MOSFET中設定約10 mΩ的導通電阻相符。

圖三顯示了施加10 V階躍時電路的回應。黃色曲線為輸入電壓，藍色曲線為輸出電壓。斷路閾值設定為12 V，因此輸入電壓幾乎沒有壓降地傳遞到輸出端。

圖三 : 對MAX16126的輸入施加10 V階躍

輸入電壓增加到15 V並重新測試。圖四顯示輸出電壓保持在0 V。

圖四 : 對MAX16126的輸入施加15 V階躍

輸入電壓反向，並對輸入施加-7 V階躍，結果如圖五所示。

圖五 : 對MAX16126的輸入施加-7 V階躍

負輸入電壓增加到-15 V，再次將其施加到電路的輸入端，結果如圖六所示。

圖六 : 對MAX16126的輸入施加-15 V階躍

當輸入變為負電壓時，探測MOSFET的閘極接腳時應更為謹慎。請參考圖一，Q1的體二極體將兩個源極接腳拉向VIN，後者為負電壓。

在MAX16126的GATE和SRC連接之間，設有一個1 MΩ內部電阻，因此當以地為基準的1 MΩ示波器探頭連接到MOSFET的閘極接腳時，示波器探頭就像一個接到0 V的1 MΩ上拉電阻。

當輸入被拉到負值時，0 V、閘極電壓和Q2的源極之間形成一個電阻分壓器，Q1的體二極體將Q2的源極拉到負值。而當輸入電壓被拉到低於Q2導通電壓的兩倍時，此MOSFET導通，輸出開始變為負值。使用阻抗更高的示波器探頭可以克服此問題。

結論

對MAX16126評估套件進行簡單修改，即可為使用者在實驗台上測試電路時因一時疏忽而引發的負載突降事件中提供可靠保護。使用評估套件中的元元件可建構一個低損耗的保護電路，其額定電壓為90 V，支援高達50 A的負載電流。

〈本文作者Simon Bramble為ADI 首席應用工程師）