MOS管的安全工作區(qū)SOA詳解（二）舉例說明如何運(yùn)用

1、SOA曲線運(yùn)用的基本步驟

下面是我總結(jié)的SOA曲線運(yùn)用的步驟，總共6步：① 測量MOS管的電壓和電流波形，判斷電壓和電流是否超標(biāo)② 使用示波器乘積功能，得到脈沖的功率波形和持續(xù)時(shí)間△t③ 找到峰值功率點(diǎn)P(max)，得到對應(yīng)的電壓Ucross和電流值Icross④ 在SOA曲線中，結(jié)合持續(xù)時(shí)間△t，找到電壓Ucross對應(yīng)的限制電流Isoa⑤ 測量穩(wěn)態(tài)時(shí)MOS管的殼溫，根據(jù)降額公式，進(jìn)一步得到符合溫度降額情況下的電流值：I(降額)=Isoa*溫度降額系數(shù)⑥ 如果實(shí)際電流值Icross<I（降額），那么就說明該MOS工作在SOA區(qū)，反之，則不在 文字說明沒有什么感覺，下面就來舉例子實(shí)操下。 

2、LTspice仿真舉例說明MOS是否工作在安全工作區(qū)

還是以CSD25404Q3T為例子（上一期就是用的這個(gè)PMOS），我們來判斷下，下面這個(gè)開關(guān)電路是否工作在線性工作區(qū)（LTspice如何導(dǎo)入第三方模型，在我的筆記文檔《硬件工程師煉成之路筆記》里面的第9.1.4章節(jié)有詳細(xì)介紹，不再贅述）。

現(xiàn)在就按照前面說的6步來判斷該P(yáng)MOS在開通的時(shí)候是否工作在SOA區(qū)。 ① 測量MOS管的電壓和電流波形，判斷電壓和電流是否超標(biāo) 我們運(yùn)行下這個(gè)仿真電路，得到電壓和電流曲線如下圖（現(xiàn)實(shí)中，我們是要用示波器測量的，但現(xiàn)在我們用仿真來替代）

可以看到，最大尖峰電流I(峰)=36A，Vds最大為10V，并沒有超過這個(gè)PMOS的SOA曲線中最大電壓20V和電流限制240A，所以目前還沒有問題。

我們繼續(xù)看第2步 ② 使用示波器乘積功能，得到脈沖的功率波形和持續(xù)時(shí)間△t 同樣的，我們用仿真替代現(xiàn)實(shí)中的示波器實(shí)測，在LTspice中按鍵盤的“ALT”按鍵，左鍵點(diǎn)擊PMOS管，就可以得到PMOS的功率曲線（示波器實(shí)測時(shí)可以用示波器的Math——乘積功能），如下圖所示：

可以看到，PMOS的尖峰功率為P(max)=160W，持續(xù)時(shí)間t約為100us，比100us稍小一點(diǎn)（t<100us） ③ 找到峰值功率點(diǎn)P(max)，得到對應(yīng)的電壓Ucross和電流值Icross 從曲線上得到峰值功率點(diǎn)對應(yīng)的電壓Ucross=6.4V；電流Icross=24.3A

④ 在SOA曲線中，結(jié)合持續(xù)時(shí)間△t，找到電壓Ucross對應(yīng)的限制電流Isoa 前面知道，△t約為100us，那么我們使用SOA的100us的限制線，在橫坐標(biāo)軸上找到Ucross=6.4V對應(yīng)的電流限制點(diǎn)為：Isoa=240A

⑤ 測量穩(wěn)態(tài)時(shí)MOS管的殼溫，根據(jù)降額公式，進(jìn)一步得到符合溫度降額情況下的電流值：I(降額)=Isoa*溫度降額系數(shù) 因?yàn)槲覀兪欠抡?，所以沒法測量MOS管的殼溫。如果在設(shè)計(jì)之初，我們通?？梢愿鶕?jù)實(shí)際電路工作情況估算一個(gè)，回板后，我們再實(shí)測MOS管的殼溫進(jìn)行進(jìn)一步確認(rèn)。 現(xiàn)在我們假定MOS管的溫度是60℃（現(xiàn)實(shí)中要實(shí)測），我們計(jì)算出此時(shí)電流的降額，怎么計(jì)算呢？ 用下面這個(gè)公式（公式來源于TI的文檔《在設(shè)計(jì)中使用 MOSFET 安全工作區(qū)曲線》，文末有分享）：

這里額Ids(Tc)是什么意思呢，它指的是在殼溫為Tc時(shí)MOS管的安全工作電流?，F(xiàn)在殼溫為60℃，那么I(降額)=Ids(60℃)。 那Ids(25℃)又是什么意思呢？顯然，它指的就是殼溫為25℃條件下的安全工作電流，也就是前面說的Isoa（因?yàn)镾OA曲線一般就指的是在殼溫25℃下的）。 注意：一般SOA就是在殼溫25℃下的，廠家一般會(huì)標(biāo)注，不過Ti的CSD25404Q3T的手冊中并沒有明確指出是在殼溫25℃下，倒是有點(diǎn)像是在環(huán)境溫度25℃下，因?yàn)楸砀裰蠺I參數(shù)有說：TA = 25°C unless otherwise stated——即沒有標(biāo)注時(shí)指的就是環(huán)境溫度25℃。關(guān)于這一點(diǎn)，我們先不糾結(jié)，現(xiàn)實(shí)中，可以找Ti的FAE進(jìn)行一個(gè)確認(rèn)，這里我們?yōu)榱撕啽悖€是把它當(dāng)作是殼溫25℃情況下的吧。 Ti手冊中的SOA曲線：

綜上，即Ids(25℃)=Isoa=240A 同樣，從MOS管手冊中知道，該MOS的最大工作結(jié)溫Tj(max)=150℃

進(jìn)一步計(jì)算溫度降額I(降額)==240*90/125=172.8A

⑥ 如果實(shí)際電流值Icross<I（降額），那么就說明該MOS工作在SOA區(qū)。 由前面幾步知道，Icross=24.3A，考慮溫度降額下的安全工作電流為 Ids(降額)=172.8A，所以滿足條件 Icross <  Ids(降額)，最終判斷該P(yáng)MOS工作在SOA區(qū)。 至此，我們的評估結(jié)束了。不過，有時(shí)候我們會(huì)遇到這個(gè)問題——如果實(shí)測脈沖時(shí)間在SOA曲線中找不到怎么辦？ 

3、如果實(shí)際脈沖時(shí)間在SOA中找不到對應(yīng)曲線怎么辦？

前面我們說，要找到對應(yīng)脈沖時(shí)間對應(yīng)的SOA曲線，但是廠家給出的SOA曲線一般只有有限的幾條，這個(gè)時(shí)候我們怎么處理呢？ 比如，如果我們測出來脈沖的寬度是5ms，但是廠家給出的SOA曲線只有4條線：DC線、10ms，1ms，100us。沒有對應(yīng)的5ms的SOA曲線怎么辦呢？

我一般分3步處理： 1、第一步：既然找不到5ms的曲線，那我先用更嚴(yán)苛的曲線來評估看看。 比如離5ms曲線最近的就是10ms，那我就用10ms的SOA曲線來評估。如果說用10ms的曲線來評估都可以滿足要求，那5ms必然就是滿足的。那如果10ms評估不滿足怎么辦呢？那就進(jìn)入第2步。 2、第二步：用更放松的曲線再來評估看看 比5ms更放松的是1ms的曲線。如果1ms的曲線都不能滿足，那不用說了，這個(gè)MOS肯定沒有工作在SOA區(qū)，需要調(diào)整電路。 那如果滿足1ms，不滿足10ms怎么辦呢？那就進(jìn)入第3步。 3、第三步：任意脈沖寬度電流限制計(jì)算 IDS電流與脈沖時(shí)間有如下關(guān)系式（公式來源于TI的文檔《在設(shè)計(jì)中使用 MOSFET 安全工作區(qū)曲線》）

我們從CSD25404Q3T的SOA曲線中，可以知道，在電壓為Ucross=6.4V時(shí)，10ms脈寬的電流限制Ids（10ms）=20A ；1ms脈寬的電流限制Ids(1ms)= 60A

根據(jù)這兩個(gè)點(diǎn)，結(jié)合上面的公式，我們就可以計(jì)算出m=-0.477和a=2.224的值。然后將tpw=5ms代入上面的公式，即可求得Ids(5ms)=27.8A

 

當(dāng)然，這Ids（5ms）=27.8A還是沒有溫度降額，應(yīng)用的時(shí)候可以再用前面計(jì)算降額的方法得到最終的 安全工作電流。其實(shí)，可以看到，用第3步的方法，我們可以得到任意時(shí)間的電流限制，那為什么還有前面2步呢？這是因?yàn)榈?步比較麻煩，有點(diǎn)費(fèi)勁，而前面2步比較快，如果前面兩步已經(jīng)能出結(jié)果了，第3步就沒必要了。 小結(jié) 本期內(nèi)容就到這里了，主要通過仿真介紹了我們?nèi)绾闻袛郙OS是否工作在SOA區(qū)，相關(guān)的仿真文件和MOS規(guī)格書手冊，相關(guān)參考資料，我同樣都放置在了我的百度網(wǎng)盤。

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