MOS管的安全工作區(qū)SOA詳解（一）限制線介紹

1、什么是MOS管的SOA區(qū)，有什么用？

SOA區(qū)指的是MOSFET的安全工作區(qū)，其英文單詞是Safe Operating Area。也有一些廠家叫ASO區(qū)，其英文單詞是Area of Safe Opration，總之，兩者是一個(gè)意思，下面我們統(tǒng)一稱為SOA區(qū) 一般MOSFET都會(huì)給出SOA這個(gè)曲線，SOA區(qū)就是指的是曲線與橫縱坐標(biāo)軸圍成的面積區(qū)域。 如下圖所示，這是TI的PMOS型號(hào)CSD25404Q3的安全工作區(qū)曲線圖：

安全工作區(qū)指的就是曲線與橫軸（ Vds）和縱軸（Ids）所圍成的面積，如下圖，我們?cè)u(píng)估直流的時(shí)候，安全工作區(qū)就看DC這條線與坐標(biāo)軸圍成的面積。

我們現(xiàn)在大抵知道了SOA是啥東西，那么它有什么用呢？ 顧名思義，SOA區(qū)——安全工作區(qū)，就是用來評(píng)估MOS管工作狀態(tài)是否安全，是否有電應(yīng)力損壞的風(fēng)險(xiǎn)的。只要使用的條件（電壓、電流、結(jié)溫等）不超出SOA圈定的區(qū)域，MOSFET必然能夠按照我們想象的那樣，任勞任怨的持續(xù)運(yùn)行，反之，則可能燒掉。 SOA圖形是一個(gè)非常有用的圖形，特別在一些熱插拔，電機(jī)驅(qū)動(dòng)，開關(guān)電源等用到開關(guān)MOS的場(chǎng)合。因?yàn)檫@些場(chǎng)合，MOS在開通或關(guān)斷的切換過程中，瞬間功率可能是很高的，如果超過SOA區(qū)，那么就有風(fēng)險(xiǎn)。 

2、SOA曲線的幾條限制線的意思？

在我見過的SOA曲線圖，有兩種：一種由4條限制線組成，一種由5條限制線，其中5條限制線里面多包含了：熱穩(wěn)定性限制線。我們就直接介紹有5條限制線的SOA曲線吧，5條限制線的理解了，4條限制線的也就理解了。 如下圖SOA示意圖，SOA由Rds(on)限制線，電流限制線，功率限制線，熱穩(wěn)定限制線，擊穿電壓限制線組成。
SOA示意圖：

 

① Rds(on)限制線

SOA示意圖中藍(lán)色的就是Rds(on)限制線，簡(jiǎn)單理解，就是MOS管完全導(dǎo)通的時(shí)候，會(huì)有導(dǎo)通電阻Rds(on)，我們知道，此時(shí)MOS工作在歐姆區(qū)，有關(guān)系式Vds=Ids*Rds(on)，在我們固定條件Vgs和溫度的情況下，Rds(on)就是一個(gè)常數(shù)，所以我們會(huì)看到這條曲線是線性的。 如下圖是TI的PMOS管CSD25404Q3T，我們?cè)赗ds(on)限制線取量個(gè)特殊的點(diǎn)A點(diǎn)（1V，120A）和B點(diǎn)（0.1V，12A），根據(jù)歐姆定律，計(jì)算得Rds(on)=8.3mΩ。 我們?cè)偃シ?guī)格書中的數(shù)據(jù)表，其：在VGS = –2.5 V, ID = –10 A條件下，Rds(on)典型值是10.1mΩ，最大值是12.1mΩ在VGS = –4.5 V, ID = –10 A條件下，Rds(on)典型值是5.5mΩ，最大值是6.5mΩ 

SOA推測(cè)出的Rds(on)和表格顯示的參數(shù)并不完全一致，為什么會(huì)這樣呢？ SOA曲線展示的Rds(on)是一個(gè)常數(shù)，而數(shù)據(jù)表中呈現(xiàn)的是一個(gè)范圍，并且與Vgs有關(guān)，可以推測(cè)出廠家給出SOA曲線時(shí)，用的Rds(on)肯定是在某一特定工作條件下的（主要是Vgs和溫度）。 以上就是Rds(on)限制線的說明，下面來看看電流限制線 

②電流限制線

SOA示意圖中紅色的就是電流限制線，一般就指芯片的最大脈沖尖峰電流Idm，其一般由器件本身的封裝決定。 如下圖是TI的PMOS型號(hào)CSD25404Q3T，其Idm=-240A，在SOA曲線中，不論脈沖的時(shí)間多長(zhǎng)，運(yùn)行通過的電流都要小于-240A。

③ 功率限制線

SOA示意圖中綠色的就是等功率限制線，這是參數(shù)根據(jù)器件允許消耗的最大功率計(jì)算得出的，該功率在熱平衡狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生 150°C 的穩(wěn)定結(jié)溫 Tj，其中 Tc = 25°C。 在每條曲線上，所有的點(diǎn)的功率（功率=電壓*電流）值都一樣。 還是以CSD25404Q3T為例，我們看DC這條線，在A點(diǎn)，功率P=1V*40A=40W，而在B點(diǎn)，功率P=20V*2A=40W，A點(diǎn)和B點(diǎn)的功率是相等的，這條線上的所有點(diǎn)的功率其實(shí)都是40W。

關(guān)于功率限制線，我倒是在手冊(cè)中發(fā)現(xiàn)個(gè)對(duì)應(yīng)不上的問題：SOA曲線中，DC的功率限制為40W，但是在CSD25404Q3T的規(guī)格書數(shù)據(jù)表中，功率的限制為96W，我理解這兩個(gè)數(shù)值應(yīng)該是一樣的才對(duì)，現(xiàn)在卻并不相等。

對(duì)于這個(gè)差異，從手冊(cè)上看，可能跟測(cè)試條件有關(guān)系，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試條件是Tc=25℃，而SOA曲線中的條件是Ta=25℃，可能跟此有關(guān)系（不是特別肯定，因?yàn)槲依斫?，SOA應(yīng)該都是在Tc=25℃下測(cè)的才對(duì)），如果對(duì)此有比較了解的同學(xué)，希望能留言介紹下。

④ 熱穩(wěn)定限制線

SOA示意圖中紫色的就是熱穩(wěn)定性限制線，簡(jiǎn)單說就是，我們實(shí)際工作的時(shí)候，電壓和電流也不能超過這根線，否則MOS就會(huì)發(fā)生熱不穩(wěn)定導(dǎo)致?lián)p壞。 下面來介紹下熱不穩(wěn)定是如何發(fā)生的。

如上圖，在固定Vds的情況下，不同的Vgs，ID的電流是不同，并且其跟溫度有一定的關(guān)系，其存在正溫度系數(shù)和負(fù)溫度系數(shù)。 啥叫正溫度系數(shù)，負(fù)溫度系數(shù)呢？ 如下圖：1、當(dāng)我們固定電壓Vds，Vgs的電壓不變2、在25℃時(shí)，IDS=IDS(A)3、這時(shí)我們將溫度升高到150℃，此時(shí)對(duì)應(yīng)B點(diǎn)，IDS會(huì)有升高，IDS=IDS(B)4、這說明溫度升高，IDS電流會(huì)增大，也就是正溫度系數(shù)

按照這個(gè)邏輯，應(yīng)該很容易理解，紅色的區(qū)域就是正溫度系數(shù)，反之，藍(lán)色的區(qū)域就是負(fù)溫度系數(shù)。 還是以CSD25404Q3T為例子，其手冊(cè)中也給出了這個(gè)曲線。

現(xiàn)在我們知道存在正溫度系數(shù)和負(fù)溫度系數(shù)，那這跟熱不穩(wěn)定有什么關(guān)系呢？ 這是因?yàn)槿绻栊酒厦婺硞€(gè)區(qū)域的溫度高于其它地方，并且其處于正溫度系數(shù)區(qū)域，那么其電流也會(huì)高于其它地方，電流大，又會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生更多的熱量，溫度也會(huì)更高，因而變得更熱，最終的結(jié)果可能就是熱失控，有點(diǎn)類似于正反饋。 還有一個(gè)問題，這個(gè)熱穩(wěn)定性限制線，MOS廠商是如何畫出來的呢？ 從TI的文章里面了解到，這個(gè)限制線并非是從公式計(jì)算出來的，而是通過實(shí)測(cè)mos什么時(shí)候損壞，通過測(cè)量的方式得出來的。 如下圖是TI的MOS管（CSD19536KTT）測(cè)得的故障點(diǎn)：

⑤ 擊穿電壓限制線 

SOA示意圖中粉色的就是擊穿電壓限制線，這個(gè)應(yīng)該很容易理解，就是MOS管的耐壓，一般也跟規(guī)格書中的Vds(max)對(duì)應(yīng)，簡(jiǎn)單舉個(gè)例子（以CSD25404Q3T為例子）如下圖，就不細(xì)說了。

 3、為什么一個(gè)圖中SOA曲線中有好幾條？

如下圖CSD25404Q3T有4條限制線，其分別對(duì)應(yīng)了不同脈沖時(shí)間的限制，這應(yīng)該很容易理解，如果脈沖持續(xù)的時(shí)間越長(zhǎng)，MOS承受的電，熱應(yīng)力也會(huì)越大，越容易發(fā)生損壞。所以可以看到，持續(xù)時(shí)間越短，其能承受的電壓和電流越大。

小結(jié)

本期內(nèi)容就到這里了，主要介紹了SOA區(qū)幾條限制的意思，但并沒有舉例說明如何運(yùn)用，這個(gè)就留待下期吧，下面一些參考的資料，如果想獲得更深入的了解，都可以去看看。

*博客內(nèi)容為網(wǎng)友個(gè)人發(fā)布，僅代表博主個(gè)人觀點(diǎn)，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系工作人員刪除。