MAX4959/MAX4960：高电压过压保护与电池切换解决方案

在电子设备的设计中，过压保护和电池切换功能至关重要，它们能确保设备在复杂的电源环境下稳定运行。Maxim Integrated推出的MAX4959/MAX4960芯片，为低电压系统提供了高达+28V的过压保护以及电池切换功能，下面我们来详细了解一下这款芯片。

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一、产品概述

MAX4959/MAX4960过压保护控制器可保护低电压系统免受高达+28V的高压故障影响。当输入电压超过过压锁定（OVLO）阈值时，这些设备会关闭外部pFET，防止受保护组件受损。欠压锁定（UVLO）阈值则会使外部pFET保持关闭状态，直到输入电压升至正确水平。此外，当插入不正确的低功率适配器时，还有额外的安全功能会锁定pFET。

该芯片还能控制外部电池切换pFET（P2），在交流适配器拔掉时切换到电池供电。欠压和过压跳闸电平可通过外部电阻进行调整。输入通过一个1µF陶瓷电容接地旁路时，可抵御±15kV HBM ESD。所有设备均采用小型10引脚（2mm x 2mm）µDFN封装，工作温度范围为 -40°C至 +85°C。

二、应用领域

MAX4959/MAX4960适用于多种电子设备，如笔记本电脑、便携式电脑、摄像机和超移动PC等。这些设备通常需要可靠的电源保护和电池切换功能，以确保在不同电源条件下稳定运行。

三、产品特性

1. 过压保护：高达+28V的过压保护，±2.5%的精确外部可调OVLO/UVLO阈值，能有效应对各种过压情况。
2. 电池切换：具备电池切换pFET控制功能，可在适配器拔掉时自动切换到电池供电，保证设备持续运行。
3. 电源适配器保护：防止不正确的电源适配器对设备造成损害，提高系统的稳定性。
4. 低功耗：典型供电电流仅为100µA，有助于降低设备的功耗。
5. 输入去抖和消隐时间：25ms的输入去抖定时器和25ms的消隐时间，可有效过滤干扰信号，提高系统的可靠性。
6. 小型封装：采用10引脚（2mm x 2mm）µDFN封装，节省电路板空间。

四、电气特性

输入电压范围

输入电压范围为4V至28V，可适应不同的电源环境。

过压和欠压阈值

过压可调跳闸范围为6V至28V，欠压可调跳闸范围为5V至28V，可根据实际需求进行调整。

参考电压

过压比较参考电压（OV REF）和欠压比较参考电压（UV REF）在VIN上升沿和下降沿分别为1.18V至1.276V。

漏电流

OVS和UVS输入漏电流范围为 -100nA至 +100nA，确保芯片的稳定性。

跳闸滞后

过压和欠压跳闸滞后均为1%，可避免频繁跳闸。

电源电流

IN电源电流在VIN = +19V，VOVS < OV REF和VUVS > UV REF时，典型值为100µA，最大值为300µA；VDD电源电流在VDD = +5V，VIN = 0V时，最大值为10µA。

开关电阻

GATE1和GATE2的开漏MOS导通电阻在特定条件下最大值为1kΩ。

定时参数

去抖时间为10ms至40ms，GATE1和GATE2从CB引脚的断言延迟典型值为50ns，消隐时间为10ms至40ms。

五、引脚描述

引脚	名称	功能
1	GATE1	pFET栅极驱动输出，开漏。在正常工作时，GATE1被驱动为低电平，外部pFET P1导通；在过压或欠压故障时，GATE1变为高电平，P1关闭。
2, 9	N.C.	无连接。可连接到地或保持未连接状态。
—	SOURCE1	pFET源极输出。内部有一个电阻连接在SOURCE1和GATE1之间。
3	IN	电压输入。既是电源输入，也是过压/欠压检测输入。需通过一个1µF陶瓷电容接地旁路，以获得±15kV的ESD保护。
4	UVS	欠压阈值设置输入。连接到一个从IN到GND的外部电阻分压器，用于设置欠压锁定阈值。
5	OVS	过压阈值设置输入。连接到一个从IN到GND的外部电阻分压器，用于设置过压锁定阈值。
6	VDD	内部电源输出。需通过一个最小0.1µF的电容接地旁路，为内部上电复位电路供电。
7	CB	电池切换控制输入。当CB为高电平时，GATE1为高电平（P1关闭），GATE2为低电平（P2导通）；当CB为低电平时，GATE1由内部逻辑控制，GATE2为高阻抗（P2关闭）。
8	GND	接地
10	GATE2	pFET栅极驱动输出，开漏。当CB为高电平时，GATE2为低电平（P2导通）；当CB为低电平时，GATE2为高阻抗（P2关闭）。

六、详细工作原理

欠压锁定（UVLO）

MAX4959/MAX4960的欠压锁定阈值可在+5V至+28V范围内调节。当VIN小于VUVLO时，设备会等待一个消隐时间tBLANK，以判断故障是否仍然存在。如果在tBLANK结束时故障不存在，P1保持导通；如果VIN小于VUVLO的时间超过消隐时间，设备会关闭P1，直到VIN < 0.75V时P1才会再次导通。

过压锁定（OVLO）

过压锁定阈值可在+6V至+28V范围内调节。当VIN大于VOVLO时，设备会立即关闭P1。当VIN下降到VOVLO以下时，经过去抖时间后P1会再次导通。

不同电源情况分析

1. 高电压适配器（VIN > VOVLO）：如果插入电压高于VOVLO的适配器，MAX4959/MAX4960处于过压保护状态，P1保持关闭或立即关闭。过压保护没有消隐时间，但当IN电压下降到VOVLO以下但高于VUVLO时，去抖时间起作用。此时，CB引脚不控制P1。
2. 正确适配器（VUVLO < VIN < VOVLO）：插入适配器后，设备会经过一个20ms（典型值）的去抖时间，确保IN电压在VUVLO和VOVLO之间后才会导通P1。在这种状态下，CB引脚控制P1和P2。
3. 低功率适配器或干扰情况：如果适配器电压正确但功率不足，MAX4959/MAX4960会保护pFET P1免受振荡影响。插入适配器时，P1初始为关闭状态，电压正常。经过去抖时间后P1导通，低功率适配器电压会被拉低到VUVLO以下。设备会等待10ms的消隐时间，确保不是临时干扰。如果故障仍然存在，会锁定P1，直到适配器拔掉（VIN < 0.75V）并重新插入。
4. 适配器未插入（VIN < VUVLO）：当输入电压VIN下降到4.4V以下时，P1会自动关闭，直到适配器拔掉（VIN < 0.75V）并重新插入才会再次导通。适配器未插入时，P1通过栅源电阻保持关闭状态，CB引脚控制电池切换pFET P2。

七、应用设计要点

MOSFET配置与选择

MAX4959/MAX4960可与单个MOSFET配置使用，以低成本方式调节电压。为降低导通电阻，外部MOSFET可采用多个pFET并联。大多数情况下，VGS为4.5V时RDS(ON)指定的MOSFET效果良好，且MOSFET的VDS ≥ 30V可承受MAX4959/MAX4960的+28V输入范围。

过压/欠压窗口电阻选择

MAX4959/MAX4960包含欠压和过压比较器，用于窗口检测。通过外部电阻分压器设置OVLO和UVLO阈值。电阻值R1、R2和R3的计算方法如下：

1. 选择RTOTAL（R1 + R2 + R3）的值，由于芯片输入阻抗很高，RTOTAL可达5MΩ。
2. 根据RTOTAL和所需的VOVLO跳闸点计算R3：[R 3=frac{OV{REF } × R{TOTAL }}{V_{OVLO }}]
3. 根据RTOTAL、R3和所需的VUVLO跳闸点计算R2：[R 2=left[frac{U V{REF } × R{TOTAL }}{V_{UVLO }}right]-R 3]
4. 根据RTOTAL、R2和R3计算R1：[R 1= RTOTAL - R 2-R 3]

需注意，外部设置的OVLO和UVLO阈值之比不得超过4。

VDD电容选择

VDD由线性稳压器调节至+5V。由于最小外部可调UVLO跳闸阈值为+5V，VDD范围为+5V至+28V。VDD电容必须足够大，以在VIN降至0V时为设备提供外部可设置时间tHOLD的电源。电容值计算公式为：[C=(IVDD × tHOLD) /(VDD - VDDUVLO)]

最坏情况下，当VIN = +5V，VDD = VIN - 0.8V = +4.2V，IVDD = 10µA（最大值），tHOLD为20ms时，C = (10µA × 20ms) / (4.2V - 2.2V) = 100nF。电容必须大于100nF以确保内部稳压器稳定，且需具有低ESR和低泄漏电流，如陶瓷电容。

IN旁路考虑

大多数应用中，需通过一个1µF陶瓷电容将IN接地旁路。如果电源因长引线长度具有显著电感，需注意防止LC谐振电路引起的过冲，并在必要时提供保护，以防止VIN超过+30V的绝对最大额定值。如果存在负电压问题，可从IN到GND连接一个肖特基二极管以钳位负输入电压。

ESD测试条件

当IN通过一个1µF陶瓷电容接地旁路时，MAX4959/MAX4960可抵御±15kV人体模型ESD。

八、总结

MAX4959/MAX4960为电子设备的电源保护和电池切换提供了可靠的解决方案。其丰富的功能和灵活的配置选项，使其适用于多种应用场景。在设计过程中，工程师需根据具体需求合理选择MOSFET、电阻和电容等元件，以确保系统的稳定性和可靠性。你在使用类似芯片时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验。