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