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，兩者是一個意思，下面我們統(tǒng)一稱為SOA區(qū) 一般MOSFET都會給出SOA這個曲線，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，我們評估直流的時候，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)運行，反之，則可能燒掉。 SOA圖形是一個非常有用的圖形，特別在一些熱插拔，電機驅(qū)動，開關(guān)電源等用到開關(guān)MOS的場合。因為這些場合，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。 

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示意圖中藍色的就是Rds(on)限制線，簡單理解，就是MOS管完全導(dǎo)通的時候，會有導(dǎo)通電阻Rds(on)，我們知道，此時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)就是一個常數(shù)，所以我們會看到這條曲線是線性的。 如下圖是TI的PMOS管CSD25404Q3T，我們在Rds(on)限制線取量個特殊的點A點（1V，120A）和B點（0.1V，12A），根據(jù)歐姆定律，計算得Rds(on)=8.3mΩ。 我們再去翻翻規(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推測出的Rds(on)和表格顯示的參數(shù)并不完全一致，為什么會這樣呢？ SOA曲線展示的Rds(on)是一個常數(shù)，而數(shù)據(jù)表中呈現(xiàn)的是一個范圍，并且與Vgs有關(guān)，可以推測出廠家給出SOA曲線時，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CSD25404Q3T，其Idm=-240A，在SOA曲線中，不論脈沖的時間多長，運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算得出的，該功率在熱平衡狀態(tài)下會產(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，功率P=1V*40A=40W，而在B點，功率P=20V*2A=40W，A點和B點的功率是相等的，這條線上的所有點的功率其實都是40W。

關(guān)于功率限制線，我倒是在手冊中發(fā)現(xiàn)個對應(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，我理解這兩個數(shù)值應(yīng)該是一樣的才對，現(xiàn)在卻并不相等。

對于這個差異，從手冊上看，可能跟測試條件有關(guān)系，測試標(biāo)準(zhǔn)的測試條件是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，因為我理解，SOA應(yīng)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(wěn)定限制線

SOA示意圖中紫色的就是熱穩(wěn)定性限制線，簡單說就是，我們實際工作的時候，電壓和電流也不能超過這根線，否則MOS就會發(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)和負溫度系數(shù)。 啥叫正溫度系數(shù)，負溫度系數(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，IDS=IDS(A)3、這時我們將溫度升高到150℃，此時對應(yīng)B點，IDS會有升高，IDS=IDS(B)4、這說明溫度升高，IDS電流會增大，也就是正溫度系數(shù)

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

現(xiàn)在我們知道存在正溫度系數(shù)和負溫度系數(shù)，那這跟熱不穩(wěn)定有什么關(guān)系呢？ 這是因為如果硅芯片上面某個區(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，那么其電流也會高于其它地方，電流大，又會導(dǎo)致產(chǎn)生更多的熱量，溫度也會更高，因而變得更熱，最終的結(jié)果可能就是熱失控，有點類似于正反饋。 還有一個問題，這個熱穩(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，這個限制線并非是從公式計算出來的，而是通過實測mos什么時候損壞，通過測量的方式得出來的。 如下圖是TI的MOS管（CSD19536KTT）測得的故障點：

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)對應(yīng)，簡單舉個例子（以CSD25404Q3T為例子）如下圖，就不細說了。

 3、為什么一個圖中SOA曲線中有好幾條？

如下圖CSD25404Q3T有4條限制線，其分別對應(yīng)了不同脈沖時間的限制，這應(yīng)該很容易理解，如果脈沖持續(xù)的時間越長，MOS承受的電，熱應(yīng)力也會越大，越容易發(fā)生損壞。所以可以看到，持續(xù)時間越短，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用，這個就留待下期吧，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)友個人發(fā)布，僅代表博主個人觀點，如有侵權(quán)請聯(lián)系工作人員刪除。