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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△t③ 找到峰值功率点P(max),得到对应的电压Ucross和电流值Icross④ 在SOA曲线中,结合持续时间△t,找到电压Ucross对应的限制电流Isoa⑤ 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<I(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<I(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。

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