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  • 安全工作區(qū)SOA是什么,作用是什么
    • 發(fā)布時間:2024-12-19 17:55:25
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    安全工作區(qū)SOA是什么,作用是什么
    SOA區(qū)指的是MOSFET的安全工作區(qū),英文表示為Safe Operating Area,是指MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)的安全操作范圍。有時也叫ASO,Area of Safe Opration,兩者都是一個意思,但我們會統(tǒng)一為SOA區(qū)。
    這個區(qū)域在MOS管的特性曲線圖中可見,它由曲線與Vds(橫軸)和Ids(縱軸)所圍成的面積所定義。一般評估電流時,就是看這條線(DC)。
    安全工作區(qū)SOA 作用
    在MOS管正常工作時,電壓和電流不應(yīng)超過SOA的限定范圍。這個概念的重要性體現(xiàn)在于評估MOS管的工作狀態(tài)是否安全,尤其在熱插拔、電機(jī)驅(qū)動和開關(guān)電源等應(yīng)用中。
    當(dāng)MOS管在開關(guān)切換時,如果瞬時功率超出SOA區(qū)域,就可能導(dǎo)致危險(xiǎn)情況發(fā)生。
    SOA由五條限制線組成,包括Rds(on)限制線、電流限制線、功率限制線、熱穩(wěn)定限制線和擊穿電壓限制線。這些限制線各自表示著不同的參數(shù)和性能限制,幫助確保MOS管在安全操作范圍內(nèi)工作。
    安全工作區(qū)SOA 作用
    a.Rds(on)限制線
    MOS管在完全導(dǎo)通時會有導(dǎo)通電阻Rds(on),在此狀態(tài)下MOS管工作在歐姆區(qū)。
    一般數(shù)據(jù)表呈現(xiàn)的值是一個范圍,與SOA推測出的Rds(on)不完全一致,而SOA曲線展現(xiàn)的是一個常數(shù),并且曲線是線性的,一般廠家給出的SOA曲線,是指在某一特定工作條件下使用的Rds(on),主要是以Vgs和溫度有關(guān)。
    安全工作區(qū)SOA 作用
    關(guān)系式:Vds=Ids*Rds(on)
    b.電流限制線
    通常指的是MOS管最大脈沖尖峰電流Idm,這是由器件本身的封裝決定的
    c.功率限制線
    該功率在熱平衡狀態(tài)下會產(chǎn)生150℃的穩(wěn)定結(jié)溫Tj,其中 Tc = 25°C。這是根據(jù)器件允許消耗的最大功率計(jì)算得出。
    d.熱穩(wěn)定限制線
    在實(shí)際工作中電壓和電流不應(yīng)超過這條線,否則可能導(dǎo)致MOS管熱不穩(wěn)定而損壞。(下文會提到熱不穩(wěn)定的詳細(xì)情況)
    擊穿電壓限制線表示MOS管的耐壓,和規(guī)格書的Vds(max)對應(yīng)。
    那么,熱穩(wěn)定限制線是如何發(fā)生的呢?
    在固定的Vds的情況下,Vgs的電壓不變,不同的Vgs,ID電流是不同的。
    例如下圖:在25℃時,IDS=IDS(A)
    安全工作區(qū)SOA 作用
    當(dāng)我們將溫度升到150℃時,即圖中的B點(diǎn),此時IDS有所上升,IDS=IDS(B)。也就是說,溫度升高,IDS電流會跟著增大,即正溫度系數(shù)(形成正反饋循環(huán)),也就是紅色區(qū)域。反之,藍(lán)色區(qū)域就是負(fù)溫度系數(shù)。
    安全工作區(qū)SOA 作用
    在此得出,熱不穩(wěn)定和溫度有一定關(guān)系,并且分為兩種:正溫度系數(shù)&負(fù)溫度系數(shù)。
    有什么關(guān)系呢?
    當(dāng)硅芯片上面某塊區(qū)域的溫度高于其它地方,并且處于正溫度系數(shù)區(qū)域,那么它的電流也會高于其它地方。電流一大,又會導(dǎo)致更多熱量產(chǎn)生,溫度會變得更高,最終就導(dǎo)致了熱失控。
    那么,為什么一個圖里SOA曲線有好幾條?
    這是因?yàn)樗鼈兎謩e對應(yīng)了不同脈沖時間的限制,如果脈沖持續(xù)的時間越長,MOS管承受的電、熱應(yīng)力就會更大,病容易發(fā)生損壞。
    因此,所持續(xù)的時間越短,它承受的電壓和電流就會越大。
    最后,要如何判斷MOS管是否工作在SOA區(qū)呢?
    ① 通過測量MOS管的電壓和電流波形,判斷是否突破設(shè)定的極限值。
    ② 使用示波器的乘積功能,獲取脈沖信號的能量波形及其持續(xù)時間△t。
    ③ 找出功率峰值P(max),記錄此時的電壓Ucross和電流Icross數(shù)據(jù)。
    ④ 根據(jù)SOA曲線和脈沖時長△t,計(jì)算出對應(yīng)電壓Ucross的允許電流Isoa。
    ⑤ 在MOS管正常工作時,測量其外殼溫度,并利用降額公式計(jì)算出溫度影響下的調(diào)整后電流值:I(降額)=Isoa×溫度調(diào)整系數(shù)。
    ⑥ 如果測得的電流Icross小于計(jì)算出的調(diào)整后電流I(降額),說明MOS管工作在安全SOA區(qū)域內(nèi);如果大于,則意味著它已經(jīng)超出了安全范圍。
    在工程實(shí)踐中,設(shè)計(jì)者需要仔細(xì)考慮電路中MOSFET的工作條件,以確保其在SOA區(qū)域內(nèi)運(yùn)行。通常涉及計(jì)算和評估電路中的電壓、電流脈沖、功率峰值等參數(shù),以便在設(shè)計(jì)階段就能夠合理地選擇器件和確定工作條件。
    此外,針對高功率、高頻率或脈沖應(yīng)用,特別需要關(guān)注MOSFET的SOA特性,并根據(jù)具體應(yīng)用場景選用適當(dāng)?shù)钠骷吞柡凸ぷ鳁l件。在實(shí)際應(yīng)用中,經(jīng)常需要結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和仿真分析來確保MOSFET在SOA區(qū)域內(nèi)可靠運(yùn)行。
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