MOS管的安全工作區SOA詳解（一）限制線(xiàn)介紹

1、什么是MOS管的SOA區，有什么用？

SOA區指的是MOSFET的安全工作區，其英文單詞是Safe Operating Area。也有一些廠(chǎng)家叫ASO區，其英文單詞是Area of Safe Opration，總之，兩者是一個(gè)意思，下面我們統一稱(chēng)為SOA區 一般MOSFET都會(huì )給出SOA這個(gè)曲線(xiàn)，SOA區就是指的是曲線(xiàn)與橫縱坐標軸圍成的面積區域。 如下圖所示，這是TI的PMOS型號CSD25404Q3的安全工作區曲線(xiàn)圖：

安全工作區指的就是曲線(xiàn)與橫軸（ Vds）和縱軸（Ids）所圍成的面積，如下圖，我們評估直流的時(shí)候，安全工作區就看DC這條線(xiàn)與坐標軸圍成的面積。

我們現在大抵知道了SOA是啥東西，那么它有什么用呢？ 顧名思義，SOA區——安全工作區，就是用來(lái)評估MOS管工作狀態(tài)是否安全，是否有電應力損壞的風(fēng)險的。只要使用的條件（電壓、電流、結溫等）不超出SOA圈定的區域，MOSFET必然能夠按照我們想象的那樣，任勞任怨的持續運行，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，電機驅動(dòng)，開(kāi)關(guān)電源等用到開(kāi)關(guān)MOS的場(chǎng)合。因為這些場(chǎng)合，MOS在開(kāi)通或關(guān)斷的切換過(guò)程中，瞬間功率可能是很高的，如果超過(guò)SOA區，那么就有風(fēng)險。 

2、SOA曲線(xiàn)的幾條限制線(xiàn)的意思？

在我見(jiàn)過(guò)的SOA曲線(xiàn)圖，有兩種：一種由4條限制線(xiàn)組成，一種由5條限制線(xiàn)，其中5條限制線(xiàn)里面多包含了：熱穩定性限制線(xiàn)。我們就直接介紹有5條限制線(xiàn)的SOA曲線(xiàn)吧，5條限制線(xiàn)的理解了，4條限制線(xiàn)的也就理解了。 如下圖SOA示意圖，SOA由Rds(on)限制線(xiàn)，電流限制線(xiàn)，功率限制線(xiàn)，熱穩定限制線(xiàn)，擊穿電壓限制線(xiàn)組成。
SOA示意圖：

 

① Rds(on)限制線(xiàn)

SOA示意圖中藍色的就是Rds(on)限制線(xiàn)，簡(jiǎn)單理解，就是MOS管完全導通的時(shí)候，會(huì )有導通電阻Rds(on)，我們知道，此時(shí)MOS工作在歐姆區，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，所以我們會(huì )看到這條曲線(xiàn)是線(xiàn)性的。 如下圖是TI的PMOS管CSD25404Q3T，我們在Rds(on)限制線(xiàn)取量個(gè)特殊的點(diǎn)A點(diǎn)（1V，120A）和B點(diǎn)（0.1V，12A），根據歐姆定律，計算得Rds(on)=8.3mΩ。 我們再去翻翻規格書(shū)中的數據表，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推測出的Rds(on)和表格顯示的參數并不完全一致，為什么會(huì )這樣呢？ SOA曲線(xiàn)展示的Rds(on)是一個(gè)常數，而數據表中呈現的是一個(gè)范圍，并且與Vgs有關(guān)，可以推測出廠(chǎng)家給出SOA曲線(xiàn)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(xiàn)的說(shuō)明，下面來(lái)看看電流限制線(xiàn) 

②電流限制線(xiàn)

SOA示意圖中紅色的就是電流限制線(xiàn)，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CSD25404Q3T，其Idm=-240A，在SOA曲線(xiàn)中，不論脈沖的時(shí)間多長(cháng)，運行通過(guò)的電流都要小于-240A。

③ 功率限制線(xiàn)

SOA示意圖中綠色的就是等功率限制線(xiàn)，這是參數根據器件允許消耗的最大功率計算得出的，該功率在熱平衡狀態(tài)下會(huì )產(chǎn)生 150°C 的穩定結溫 Tj，其中 Tc = 25°C。 在每條曲線(xiàn)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(xiàn)，在A(yíng)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(xiàn)上的所有點(diǎn)的功率其實(shí)都是40W。

關(guān)于功率限制線(xiàn)，我倒是在手冊中發(fā)現個(gè)對應不上的問(wèn)題：SOA曲線(xiàn)中，DC的功率限制為40W，但是在CSD25404Q3T的規格書(shū)數據表中，功率的限制為96W，我理解這兩個(gè)數值應該是一樣的才對，現在卻并不相等。

對于這個(gè)差異，從手冊上看，可能跟測試條件有關(guān)系，測試標準的測試條件是Tc=25℃，而SOA曲線(xiàn)中的條件是Ta=25℃，可能跟此有關(guān)系（不是特別肯定，因為我理解，SOA應該都是在Tc=25℃下測的才對），如果對此有比較了解的同學(xué)，希望能留言介紹下。

④ 熱穩定限制線(xiàn)

SOA示意圖中紫色的就是熱穩定性限制線(xiàn)，簡(jiǎn)單說(shuō)就是，我們實(shí)際工作的時(shí)候，電壓和電流也不能超過(guò)這根線(xiàn)，否則MOS就會(huì )發(fā)生熱不穩定導致?lián)p壞。 下面來(lái)介紹下熱不穩定是如何發(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，其存在正溫度系數和負溫度系數。 啥叫正溫度系數，負溫度系數呢？ 如下圖：1、當我們固定電壓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)對應B點(diǎn)，IDS會(huì )有升高，IDS=IDS(B)4、這說(shuō)明溫度升高，IDS電流會(huì )增大，也就是正溫度系數

按照這個(gè)邏輯，應該很容易理解，紅色的區域就是正溫度系數，反之，藍色的區域就是負溫度系數。 還是以CSD25404Q3T為例子，其手冊中也給出了這個(gè)曲線(xiàn)。

現在我們知道存在正溫度系數和負溫度系數，那這跟熱不穩定有什么關(guān)系呢？ 這是因為如果硅芯片上面某個(gè)區域的溫度高于其它地方，并且其處于正溫度系數區域，那么其電流也會(huì )高于其它地方，電流大，又會(huì )導致產(chǎn)生更多的熱量，溫度也會(huì )更高，因而變得更熱，最終的結果可能就是熱失控，有點(diǎn)類(lèi)似于正反饋。 還有一個(gè)問(wèn)題，這個(gè)熱穩定性限制線(xiàn)，MOS廠(chǎng)商是如何畫(huà)出來(lái)的呢？ 從TI的文章里面了解到，這個(gè)限制線(xiàn)并非是從公式計算出來(lái)的，而是通過(guò)實(shí)測mos什么時(shí)候損壞，通過(guò)測量的方式得出來(lái)的。 如下圖是TI的MOS管（CSD19536KTT）測得的故障點(diǎn)：

⑤ 擊穿電壓限制線(xiàn) 

SOA示意圖中粉色的就是擊穿電壓限制線(xiàn)，這個(gè)應該很容易理解，就是MOS管的耐壓，一般也跟規格書(shū)中的Vds(max)對應，簡(jiǎn)單舉個(gè)例子（以CSD25404Q3T為例子）如下圖，就不細說(shuō)了。

 3、為什么一個(gè)圖中SOA曲線(xiàn)中有好幾條？

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

小結

本期內容就到這里了，主要介紹了SOA區幾條限制的意思，但并沒(méi)有舉例說(shuō)明如何運用，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。

*博客內容為網(wǎng)友個(gè)人發(fā)布，僅代表博主個(gè)人觀(guān)點(diǎn)，如有侵權請聯(lián)系工作人員刪除。