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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:

  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

 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。

 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。

 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:

 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。

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