MOS管的安全工作区SOA详解（一）限制线介绍

上期文章《PMOS开关电路常见的问题分析》有说到SOA曲线，可能有些兄弟不是很了解这个是个啥？那这期我们就来系统的详细介绍下，以下是这期文章的目录：

① 什么是MOS管的SOA区？

② SOA曲线的几条限制线的意思？

1、什么是MOS管的SOA区，有什么用？SOA区指的是MOSFET的安全工作区，其英文单词是Safe Operating Area。也有一些厂家叫ASO区，其英文单词是Area of Safe Opration，总之，两者是一个意思，下面我们统一称为SOA区

 一般MOSFET都会给出SOA这个曲线，SOA区就是指的是曲线与横纵坐标轴围成的面积区域。

 如下图所示，这是TI的PMOS型号CSD25404Q3的安全工作区曲线图：

安全工作区指的就是曲线与横轴（ Vds）和纵轴（Ids）所围成的面积，如下图，我们评估直流的时候，安全工作区就看DC这条线与坐标轴围成的面积。

我们现在大抵知道了SOA是啥东西，那么它有什么用呢？

 顾名思义，SOA区——安全工作区，就是用来评估MOS管工作状态是否安全，是否有电应力损坏的风险的。只要使用的条件（电压、电流、结温等）不超出SOA圈定的区域，MOSFET必然能够按照我们想象的那样，任劳任怨的持续运行，反之，则可能烧掉。

 SOA图形是一个非常有用的图形，特别在一些热插拔，电机驱动，开关电源等用到开关MOS的场合。因为这些场合，MOS在开通或关断的切换过程中，瞬间功率可能是很高的，如果超过SOA区，那么就有风险。

 2、SOA曲线的几条限制线的意思？

在我见过的SOA曲线图，有两种：一种由4条限制线组成，一种由5条限制线，其中5条限制线里面多包含了：热稳定性限制线。我们就直接介绍有5条限制线的SOA曲线吧，5条限制线的理解了，4条限制线的也就理解了。

 如下图SOA示意图，SOA由Rds(on)限制线，电流限制线，功率限制线，热稳定限制线，击穿电压限制线组成。

SOA示意图：

 ① Rds(on)限制线SOA示意图中蓝色的就是Rds(on)限制线，简单理解，就是MOS管完全导通的时候，会有导通电阻Rds(on)，我们知道，此时MOS工作在欧姆区，有关系式Vds=Ids*Rds(on)，在我们固定条件Vgs和温度的情况下，Rds(on)就是一个常数，所以我们会看到这条曲线是线性的。

 如下图是TI的PMOS管CSD25404Q3T，我们在Rds(on)限制线取量个特殊的点A点（1V，120A）和B点（0.1V，12A），根据欧姆定律，计算得Rds(on)=8.3mΩ。

 我们再去翻翻规格书中的数据表，其：

在VGS = –2.5 V, ID = –10 A条件下，Rds(on)典型值是10.1mΩ，最大值是12.1mΩ

在VGS = –4.5 V, ID = –10 A条件下，Rds(on)典型值是5.5mΩ，最大值是6.5mΩ 

SOA推测出的Rds(on)和表格显示的参数并不完全一致，为什么会这样呢？

 SOA曲线展示的Rds(on)是一个常数，而数据表中呈现的是一个范围，并且与Vgs有关，可以推测出厂家给出SOA曲线时，用的Rds(on)肯定是在某一特定工作条件下的（主要是Vgs和温度）。

 以上就是Rds(on)限制线的说明，下面来看看电流限制线

 ②电流限制线

SOA示意图中红色的就是电流限制线，一般就指芯片的最大脉冲尖峰电流Idm，其一般由器件本身的封装决定。

 如下图是TI的PMOS型号CSD25404Q3T，其Idm=-240A，在SOA曲线中，不论脉冲的时间多长，运行通过的电流都要小于-240A。

③ 功率限制线

SOA示意图中绿色的就是等功率限制线，这是参数根据器件允许消耗的最大功率计算得出的，该功率在热平衡状态下会产生 150°C 的稳定结温 Tj，其中 Tc = 25°C。

 在每条曲线上，所有的点的功率（功率=电压*电流）值都一样。

 还是以CSD25404Q3T为例，我们看DC这条线，在A点，功率P=1V*40A=40W，而在B点，功率P=20V*2A=40W，A点和B点的功率是相等的，这条线上的所有点的功率其实都是40W。

关于功率限制线，我倒是在手册中发现个对应不上的问题：SOA曲线中，DC的功率限制为40W，但是在CSD25404Q3T的规格书数据表中，功率的限制为96W，我理解这两个数值应该是一样的才对，现在却并不相等。

对于这个差异，从手册上看，可能跟测试条件有关系，测试标准的测试条件是Tc=25℃，而SOA曲线中的条件是Ta=25℃，可能跟此有关系（不是特别肯定，因为我理解，SOA应该都是在Tc=25℃下测的才对），如果对此有比较了解的同学，希望能留言介绍下。

④ 热稳定限制线

SOA示意图中紫色的就是热稳定性限制线，简单说就是，我们实际工作的时候，电压和电流也不能超过这根线，否则MOS就会发生热不稳定导致损坏。

 下面来介绍下热不稳定是如何发生的。

如上图，在固定Vds的情况下，不同的Vgs，ID的电流是不同，并且其跟温度有一定的关系，其存在正温度系数和负温度系数。

 啥叫正温度系数，负温度系数呢？

 如下图：

1、当我们固定电压Vds，Vgs的电压不变

2、在25℃时，IDS=IDS(A)

3、这时我们将温度升高到150℃，此时对应B点，IDS会有升高，IDS=IDS(B)

4、这说明温度升高，IDS电流会增大，也就是正温度系数

按照这个逻辑，应该很容易理解，红色的区域就是正温度系数，反之，蓝色的区域就是负温度系数。

 还是以CSD25404Q3T为例子，其手册中也给出了这个曲线。

现在我们知道存在正温度系数和负温度系数，那这跟热不稳定有什么关系呢？

 这是因为如果硅芯片上面某个区域的温度高于其它地方，并且其处于正温度系数区域，那么其电流也会高于其它地方，电流大，又会导致产生更多的热量，温度也会更高，因而变得更热，最终的结果可能就是热失控，有点类似于正反馈。

 还有一个问题，这个热稳定性限制线，MOS厂商是如何画出来的呢？

 从TI的文章里面了解到，这个限制线并非是从公式计算出来的，而是通过实测mos什么时候损坏，通过测量的方式得出来的。

 如下图是TI的MOS管（CSD19536KTT）测得的故障点：

⑤ 击穿电压限制线 

SOA示意图中粉色的就是击穿电压限制线，这个应该很容易理解，就是MOS管的耐压，一般也跟规格书中的Vds(max)对应，简单举个例子（以CSD25404Q3T为例子）如下图，就不细说了。

 3、为什么一个图中SOA曲线中有好几条？

如下图CSD25404Q3T有4条限制线，其分别对应了不同脉冲时间的限制，这应该很容易理解，如果脉冲持续的时间越长，MOS承受的电，热应力也会越大，越容易发生损坏。所以可以看到，持续时间越短，其能承受的电压和电流越大。

小结

本期内容就到这里了，主要介绍了SOA区几条限制的意思，但并没有举例说明如何运用，这个就留待下期吧，下面一些参考的资料，如果想获得更深入的了解，都可以去看看。

 1、TI的视频教程：https://edu.21ic.com/video/4346

2、TI文章《看懂MOSFET数据表，第2部分—安全工作区 (SOA) 图》：https://e2echina.ti.com/blogs_/b/power_house/posts/mosfet-2-soa?keyMatch=SOA