MOS管的安全工作區SOA詳解—如何判斷一個MOS管是否工作在SOA區？

上期文章《MOS管的安全工作區SOA詳解（一）限制線介紹》有詳細解釋過SOA曲線的各個限制線的具體意義，但是沒有舉例子具體如何運用，這期就來舉例說明，如何判斷一個MOS管是否工作在SOA區。

1、SOA曲線運用的基本步驟

下面是我總結的SOA曲線運用的步驟，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

②使用示波器乘積功能，得到脈沖的功率波形和持續時間△t

③找到峰值功率點P(max)，得到對應的電壓Ucross和電流值Icross

④在SOA曲線中，結合持續時間△t，找到電壓Ucross對應的限制電流Isoa

⑤測量穩態時MOS管的殼溫，根據降額公式，進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

⑥如果實際電流值Icross

文字說明沒有什么感覺，下面就來舉例子實操下。

2、LTspice仿真舉例說明MOS是否工作在安全工作區

還是以CSD25404Q3T為例子（上一期就是用的這個PMOS），我們來判斷下，下面這個開關電路是否工作在線性工作區（LTspice如何導入第三方模型，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章節有詳細介紹，不再贅述）。

現在就按照前面說的6步來判斷該PMOS在開通的時候是否工作在SOA區。

①測量MOS管的電壓和電流波形，判斷電壓和電流是否超標

我們運行下這個仿真電路，得到電壓和電流曲線如下圖（現實中，我們是要用示波器測量的，但現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時間△t

同樣的，我們用仿真替代現實中的示波器實測，在LTspice中按鍵盤的“ALT”按鍵，左鍵點擊PMOS管，就可以得到PMOS的功率曲線（示波器實測時可以用示波器的Math——乘積功能），如下圖所示：

可以看到，PMOS的尖峰功率為P(max)=160W，持續時間t約為100us，比100us稍小一點（t<100us）

③找到峰值功率點P(max)，得到對應的電壓Ucross和電流值Icross

從曲線上得到峰值功率點對應的電壓Ucross=6.4V；電流Icross=24.3A

④在SOA曲線中，結合持續時間△t，找到電壓Ucross對應的限制電流Isoa

前面知道，△t約為100us，那么我們使用SOA的100us的限制線，在橫坐標軸上找到Ucross=6.4V對應的電流限制點為：Isoa=240A

⑤測量穩態時MOS管的殼溫，根據降額公式，進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

因為我們是仿真，所以沒法測量MOS管的殼溫。如果在設計之初，我們通?？梢愿鶕嶋H電路工作情況估算一個，回板后，我們再實測MOS管的殼溫進行進一步確認。

現在我們假定MOS管的溫度是60℃（現實中要實測），我們計算出此時電流的降額，怎么計算呢？

用下面這個公式（公式來源于TI的文檔《在設計中使用 MOSFET 安全工作區曲線》，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MOS管的安全工作電流?，F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（因為SOA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，廠家一般會標注，不過Ti的CSD25404Q3T的手冊中并沒有明確指出是在殼溫25℃下，倒是有點像是在環境溫度25℃下，因為表格中TI參數有說：TA = 25°C unless otherwise stated——即沒有標注時指的就是環境溫度25℃。關于這一點，我們先不糾結，現實中，可以找Ti的FAE進行一個確認，這里我們為了簡便，還是把它當作是殼溫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的最大工作結溫Tj(max)=150℃

進一步計算溫度降額I(降額)==240*90/125=172.8A

⑥如果實際電流值Icross

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PMOS工作在SOA區。

至此，我們的評估結束了。不過，有時候我們會遇到這個問題——如果實測脈沖時間在SOA曲線中找不到怎么辦？

3、如果實際脈沖時間在SOA中找不到對應曲線怎么辦？

前面我們說，要找到對應脈沖時間對應的SOA曲線，但是廠家給出的SOA曲線一般只有有限的幾條，這個時候我們怎么處理呢？

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MOS肯定沒有工作在SOA區，需要調整電路。

那如果滿足1ms，不滿足10ms怎么辦呢？那就進入第3步。

3、第三步：任意脈沖寬度電流限制計算

IDS電流與脈沖時間有如下關系式（公式來源于TI的文檔《在設計中使用 MOSFET 安全工作區曲線》）

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

根據這兩個點，結合上面的公式，我們就可以計算出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

當然，這Ids（5ms）=27.8A還是沒有溫度降額，應用的時候可以再用前面計算降額的方法得到最終的 安全工作電流。 其實，可以看到，用第3步的方法，我們可以得到任意時間的電流限制，那為什么還有前面2步呢？這是因為第3步比較麻煩，有點費勁，而前面2步比較快，如果前面兩步已經能出結果了，第3步就沒必要了。

小結

本期內容就到這里了，主要通過仿真介紹了我們如何判斷MOS是否工作在SOA區，相關的仿真文件和MOS規格書手冊，相關參考資料，我同樣都放置在了我的百度網盤。

審核編輯：劉清