什么是MOS管的SOA區？SOA曲線的幾條限制線的意思？

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。也有一些廠家叫ASO區，其英文單詞是Area of Safe Opration，總之，兩者是一個意思，下面我們統一稱為SOA區

一般MOSFET都會給出SOA這個曲線，SOA區就是指的是曲線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的安全工作區曲線圖：

安全工作區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，安全工作區就看DC這條線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，就是用來評估MOS管工作狀態是否安全，是否有電應力損壞的風險的。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圖形是一個非常有用的圖形，特別在一些熱插拔，電機驅動，開關電源等用到開關MOS的場合。因為這些場合，MOS在開通或關斷的切換過程中，瞬間功率可能是很高的，如果超過SOA區，那么就有風險。

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，熱穩定限制線，擊穿電壓限制線組成。

SOA示意圖：

①Rds(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管完全導通的時候，會有導通電阻Rds(on)，我們知道，此時MOS工作在歐姆區，有關系式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，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），根據歐姆定律，計算得Rds(on)=8.3mΩ。

我們再去翻翻規格書中的數據表，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，為什么會這樣呢？

SOA曲線展示的Rds(on)是一個常數，而數據表中呈現的是一個范圍，并且與Vgs有關，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下會產生 150°C 的穩定結溫 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。

關于功率限制線，我倒是在手冊中發現個對應不上的問題：SOA曲線中，DC的功率限制為40W，但是在CSD25404Q3T的規格書數據表中，功率的限制為96W，我理解這兩個數值應該是一樣的才對，現在卻并不相等。

對于這個差異，從手冊上看，可能跟測試條件有關系，測試標準的測試條件是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，希望能留言介紹下。

④熱穩定限制線

SOA示意圖中紫色的就是熱穩定性限制線，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就會發生熱不穩定導致損壞。

下面來介紹下熱不穩定是如何發生的。

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，IDS=IDS(A)

3、這時我們將溫度升高到150℃，此時對應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

按照這個邏輯，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曲線。

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系呢？

這是因為如果硅芯片上面某個區域的溫度高于其它地方，并且其處于正溫度系數區域，那么其電流也會高于其它地方，電流大，又會導致產生更多的熱量，溫度也會更高，因而變得更熱，最終的結果可能就是熱失控，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，這個應該很容易理解，就是MOS管的耐壓，一般也跟規格書中的Vds(max)對應，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，其分別對應了不同脈沖時間的限制，這應該很容易理解，如果脈沖持續的時間越長，MOS承受的電，熱應力也會越大，越容易發生損壞。所以可以看到，持續時間越短，其能承受的電壓和電流越大。

審核編輯：劉清