1、SOA曲线解释

SOA区指的是MOSFET的安全工作区，英文表示为Safe Operating Area，是指MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）的安全操作范围。有时也叫ASO，Area of Safe Opration，两者都是一个意思，但我们会统一为SOA区。

这个区域在MOS管的特性曲线图中可见，它由曲线与Vds（横轴）和Ids（纵轴）所围成的面积所定义。一般评估电流时，就是看这条线（DC）。

在MOS管正常工作时，电压和电流不应超过SOA的限定范围。这个概念的重要性体现在于评估MOS管的工作状态是否安全，尤其在热插拔、电机驱动和开关电源等应用中。

当MOS管在开关切换时，如果瞬时功率超出SOA区域，就可能导致危险情况发生。

SOA由五条限制线组成，包括Rds(on)限制线、电流限制线、功率限制线、热稳定限制线和击穿电压限制线。这些限制线各自表示着不同的参数和性能限制，帮助确保MOS管在安全操作范围内工作。

a.Rds(on)限制线
MOS管在完全导通时会有导通电阻Rds(on)，在此状态下MOS管工作在欧姆区。
一般数据表呈现的值是一个范围，与SOA推测出的Rds(on)不完全一致，而SOA曲线展现的是一个常数，并且曲线是线性的，一般厂家给出的SOA曲线，是指在某一特定工作条件下使用的Rds(on)，主要是以Vgs和温度有关。

关系式：Vds=Ids*Rds(on)
b.电流限制线
通常指的是MOS管最大脉冲尖峰电流Idm，这是由器件本身的封装决定的

c.功率限制线
该功率在热平衡状态下会产生150℃的稳定结温Tj，其中 Tc = 25°C。这是根据器件允许消耗的最大功率计算得出。
d.热稳定限制线
在实际工作中电压和电流不应超过这条线，否则可能导致MOS管热不稳定而损坏。
在固定的Vds的情况下，Vgs的电压不变，不同的Vgs，ID电流是不同的。
例如下图：在25℃时，IDS=IDS(A)

当我们将温度升到150℃时，即图中的B点，此时IDS有所上升，IDS=IDS(B)。也就是说，温度升高，IDS电流会跟着增大，即正温度系数（形成正反馈循环），也就是红色区域。反之，蓝色区域就是负温度系数。

在此得出，热不稳定和温度有一定关系，并且分为两种：正温度系数&负温度系数。

有什么关系呢？

当硅芯片上面某块区域的温度高于其它地方，并且处于正温度系数区域，那么它的电流也会高于其它地方。电流一大，又会导致更多热量产生，温度会变得更高，最终就导致了热失控。
那么，为什么一个图里SOA曲线有好几条？
这是因为它们分别对应了不同脉冲时间的限制，如果脉冲持续的时间越长，MOS管承受的电、热应力就会更大，并且容易发生损坏。
因此，所持续的时间越短，它承受的电压和电流就会越大。
e.击穿电压限制线表示MOS管的耐压，和规格书的Vds(max)对应。

2、如何判断MOS管是否工作在SOA

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<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。
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，我们来判断下，下面这个开关电路是否工作在线性工作区。

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。

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？
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？

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。