MOS管的安全工作区SOA详解（二）举例说明如何运用

上期文章《MOS管的安全工作区SOA详解（一）限制线介绍》有详细解释过SOA曲线的各个限制线的具体意义，但是没有举例子具体如何运用，这期就来举例说明，如何判断一个MOS管是否工作在SOA区。

1、SOA曲线运用的基本步骤

下面是我总结的SOA曲线运用的步骤，总共6步：

① 测量MOS管的电压和电流波形，判断电压和电流是否超标

② 使用示波器乘积功能，得到脉冲的功率波形和持续时间△t

③ 找到峰值功率点P(max)，得到对应的电压Ucross和电流值Icross

④ 在SOA曲线中，结合持续时间△t，找到电压Ucross对应的限制电流Isoa

⑤ 测量稳态时MOS管的壳温，根据降额公式，进一步得到符合温度降额情况下的电流值：I(降额)=Isoa*温度降额系数

⑥ 如果实际电流值Icross（降额），那么就说明该MOS工作在SOA区，反之，则不在

 文字说明没有什么感觉，下面就来举例子实操下。

 2、LTspice仿真举例说明MOS是否工作在安全工作区

还是以CSD25404Q3T为例子（上一期就是用的这个PMOS），我们来判断下，下面这个开关电路是否工作在线性工作区（LTspice如何导入第三方模型，在我的笔记文档《硬件工程师炼成之路笔记》里面的第9.1.4章节有详细介绍，不再赘述）。

现在就按照前面说的6步来判断该PMOS在开通的时候是否工作在SOA区。

 ① 测量MOS管的电压和电流波形，判断电压和电流是否超标

 我们运行下这个仿真电路，得到电压和电流曲线如下图（现实中，我们是要用示波器测量的，但现在我们用仿真来替代）

可以看到，最大尖峰电流I(峰)=36A，Vds最大为10V，并没有超过这个PMOS的SOA曲线中最大电压20V和电流限制240A，所以目前还没有问题。

我们继续看第2步

 ② 使用示波器乘积功能，得到脉冲的功率波形和持续时间△t

 同样的，我们用仿真替代现实中的示波器实测，在LTspice中按键盘的“ALT”按键，左键点击PMOS管，就可以得到PMOS的功率曲线（示波器实测时可以用示波器的Math——乘积功能），如下图所示：

可以看到，PMOS的尖峰功率为P(max)=160W，持续时间t约为100us，比100us稍小一点（t<100us<>）

 ③ 找到峰值功率点P(max)，得到对应的电压Ucross和电流值Icross

 从曲线上得到峰值功率点对应的电压Ucross=6.4V；电流Icross=24.3A

④ 在SOA曲线中，结合持续时间△t，找到电压Ucross对应的限制电流Isoa

 前面知道，△t约为100us，那么我们使用SOA的100us的限制线，在横坐标轴上找到Ucross=6.4V对应的电流限制点为：Isoa=240A

⑤ 测量稳态时MOS管的壳温，根据降额公式，进一步得到符合温度降额情况下的电流值：I(降额)=Isoa*温度降额系数

 因为我们是仿真，所以没法测量MOS管的壳温。如果在设计之初，我们通常可以根据实际电路工作情况估算一个，回板后，我们再实测MOS管的壳温进行进一步确认。

 现在我们假定MOS管的温度是60℃（现实中要实测），我们计算出此时电流的降额，怎么计算呢？

 用下面这个公式（公式来源于TI的文档《在设计中使用 MOSFET 安全工作区曲线》，文末有分享）：

这里额Ids(Tc)是什么意思呢，它指的是在壳温为Tc时MOS管的安全工作电流。现在壳温为60℃，那么I(降额)=Ids(60℃)。

 那Ids(25℃)又是什么意思呢？显然，它指的就是壳温为25℃条件下的安全工作电流，也就是前面说的Isoa（因为SOA曲线一般就指的是在壳温25℃下的）。

 注意：一般SOA就是在壳温25℃下的，厂家一般会标注，不过Ti的CSD25404Q3T的手册中并没有明确指出是在壳温25℃下，倒是有点像是在环境温度25℃下，因为表格中TI参数有说：TA = 25°C unless otherwise stated——即没有标注时指的就是环境温度25℃。关于这一点，我们先不纠结，现实中，可以找Ti的FAE进行一个确认，这里我们为了简便，还是把它当作是壳温25℃情况下的吧。

 Ti手册中的SOA曲线：

综上，即Ids(25℃)=Isoa=240A

 同样，从MOS管手册中知道，该MOS的最大工作结温Tj(max)=150℃

进一步计算温度降额I(降额)==240*90/125=172.8A

⑥ 如果实际电流值Icross（降额），那么就说明该MOS工作在SOA区。

 由前面几步知道，Icross=24.3A，考虑温度降额下的安全工作电流为 Ids(降额)=172.8A，所以满足条件 Icross <  Ids(降额)，最终判断该PMOS工作在SOA区。

 至此，我们的评估结束了。不过，有时候我们会遇到这个问题——如果实测脉冲时间在SOA曲线中找不到怎么办？

 3、如果实际脉冲时间在SOA中找不到对应曲线怎么办？前面我们说，要找到对应脉冲时间对应的SOA曲线，但是厂家给出的SOA曲线一般只有有限的几条，这个时候我们怎么处理呢？

 比如，如果我们测出来脉冲的宽度是5ms，但是厂家给出的SOA曲线只有4条线：DC线、10ms，1ms，100us。没有对应的5ms的SOA曲线怎么办呢？

我一般分3步处理：

 1、第一步：既然找不到5ms的曲线，那我先用更严苛的曲线来评估看看。

 比如离5ms曲线最近的就是10ms，那我就用10ms的SOA曲线来评估。如果说用10ms的曲线来评估都可以满足要求，那5ms必然就是满足的。那如果10ms评估不满足怎么办呢？那就进入第2步。

 2、第二步：用更放松的曲线再来评估看看

 比5ms更放松的是1ms的曲线。如果1ms的曲线都不能满足，那不用说了，这个MOS肯定没有工作在SOA区，需要调整电路。

 那如果满足1ms，不满足10ms怎么办呢？那就进入第3步。

 3、第三步：任意脉冲宽度电流限制计算

 IDS电流与脉冲时间有如下关系式（公式来源于TI的文档《在设计中使用 MOSFET 安全工作区曲线》）

我们从CSD25404Q3T的SOA曲线中，可以知道，在电压为Ucross=6.4V时，10ms脉宽的电流限制Ids（10ms）=20A ；1ms脉宽的电流限制Ids(1ms)= 60A

根据这两个点，结合上面的公式，我们就可以计算出m=-0.477和a=2.224的值。然后将tpw=5ms代入上面的公式，即可求得Ids(5ms)=27.8A

 

当然，这Ids（5ms）=27.8A还是没有温度降额，应用的时候可以再用前面计算降额的方法得到最终的 安全工作电流。其实，可以看到，用第3步的方法，我们可以得到任意时间的电流限制，那为什么还有前面2步呢？这是因为第3步比较麻烦，有点费劲，而前面2步比较快，如果前面两步已经能出结果了，第3步就没必要了。

 小结

 本期内容就到这里了，主要通过仿真介绍了我们如何判断MOS是否工作在SOA区，相关的仿真文件和MOS规格书手册，相关参考资料，我同样都放置在了我的百度网盘。

 下载方法：

关注我的微信公众号“硬件工程师炼成之路”，在后台回复“炼成之路”，就可以下载了，放置在目录：炼成之路-->器件-->08-MOS-->SOA仿真及参考资料

参考资料：

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

2、TI文档《在设计中使用 MOSFET 安全工作区曲线》，下载链接：

https://www.ti.com.cn/cn/lit/an/zhcacd9/zhcacd9.pdf?ts=1709454312298