MOSFET安全工作區(qū)和熱插拔電路

“這款MOSFET的SOA（安全工作區(qū)）是否適合我的應(yīng)用？”這是熱插拔電路設(shè)計(jì)人員最常問的問題。在評估 MOSFET 對特定應(yīng)用的適用性時，深入了解 SOA 會有所幫助。在簡要回顧了 MOSFET 數(shù)據(jù)手冊中的 SOA 規(guī)格之后，本文對 SOA 進(jìn)行了簡單解釋，重點(diǎn)介紹了 MOSFET 的熱行為。有了這種理解，設(shè)計(jì)人員可以放心地使用LTspice附帶的工具SOAtherm，在電路仿真中準(zhǔn)確評估MOSFET SOA。

什么是 SOA？

每個 MOSFET 數(shù)據(jù)手冊都包含一個 SOA 圖，該圖描述了 MOSFET 暴露于特定電壓和電流的最長時間。圖1顯示了恩智浦半導(dǎo)體數(shù)據(jù)手冊中PSMN1R5-30BLE 30V 1.5mΩ N溝道MOSFET的SOA圖?？紤]將 10V/100A 的電壓施加到 MOSFET 的條件。查看 SOA 圖上的相應(yīng)點(diǎn)，我們看到它介于 1ms 和 10ms 行之間。該圖表明，如果外殼（片片）保持在25°C，則可以施加10V和100A電流至少1ms，而不會損壞MOSFET。

圖1.安全操作區(qū)域;脈沖在固定電壓和電流下的最大允許時間。

當(dāng)然，將外殼保持在25°C是不可能的，需要一個無法實(shí)現(xiàn)的完美散熱器，但幸運(yùn)的是，對于短時間事件（小于10ms-100ms），外殼溫度不會顯著上升。熱插拔電路僅在短時間事件（啟動、輸入電源階躍和輸出過流條件）期間看到顯著的漏源電壓，因此通常滿足10ms–100ms的時間限制。

較高外殼溫度（高于25°C）時的降額將在下面的“瞬態(tài)熱阻”部分中討論。對于超過 10 毫秒的事件，請參閱“超過 10 毫秒”。

穩(wěn)態(tài)

在深入研究瞬態(tài) SOA 事件之前，退后一步并查看更熟悉的穩(wěn)定狀態(tài) （DC） 限制會很有幫助。MOSFET 數(shù)據(jù)手冊規(guī)定了最高硅溫度（通常為 150°C 或 175°C）以及 θ杰克和 θ賈，分別是從硅（結(jié)）到封裝底部（外殼）的熱阻，以及從硅（結(jié)）到環(huán)境（環(huán)境）的熱阻。（有時R千（JC）和 R千（日本）用作 θ 的替代名稱杰克和 θ賈.)

來自 PSMN1R5-30BLE 數(shù)據(jù)表，θ賈= 50°C/W 和 θ杰克= 0.3°C/W. θ賈用于使用數(shù)據(jù)手冊中指定的 PC 板配置計(jì)算從環(huán)境溫度到 MOSFET 硅芯片的溫升。在PSMN1R5-30BLE數(shù)據(jù)表中，θ賈在 FR4 印刷電路板上以最小的占用空間指定。假設(shè)您的印刷電路板與 MOSFET 制造商用于指定 θ 的電路板相同賈，硅芯片溫度為：

例如，使用 θ賈50°C/W，環(huán)境溫度為75°C，當(dāng)MOSFET耗散1W時，芯片溫度將為125°C。

對于大多數(shù)帶有裸露金屬片的現(xiàn)代MOSFET，θ賈主要由 PC 板布局決定，而不是 MOSFET 本身（盡管裸露的焊盤形狀和尺寸起作用）。因?yàn)?θ賈高度依賴于 PC 板布局和氣流，制造商指定的 θ賈僅適用于粗略估計(jì)。

θ杰克通常是一個更有用的指標(biāo)，因?yàn)樗枋隽瞬皇苡∷㈦娐钒宀季钟绊懙腗OSFET行為。要確定硅溫度，請使用以下命令：

功耗為1W時，硅溫度僅比外殼溫度高0.3°C。使用此公式時，外殼溫度（T箱） 必須通過物理測量或通過 PC 板的熱模擬來確定。顯然，PC 板布局、氣流和散熱器是計(jì)算穩(wěn)態(tài)條件的關(guān)鍵因素。

瞬態(tài)熱阻

大多數(shù)MOSFET數(shù)據(jù)手冊還包括瞬態(tài)熱阻圖。“單脈沖”瞬態(tài)熱阻（Z千（JC）） 是限時功率脈沖產(chǎn)生的溫升。瞬態(tài)熱阻圖上的最長時間點(diǎn)始終與 θ 匹配杰克規(guī)格，因?yàn)?θ杰克根據(jù)定義，是穩(wěn)態(tài)（無限時間）熱阻。圖2顯示了PSMN1R5-30BLE數(shù)據(jù)手冊中的瞬態(tài)熱阻。就本文而言，只有“單脈沖”曲線很重要。

圖2.從結(jié)點(diǎn)到安裝底座的瞬態(tài)熱阻與脈沖持續(xù)時間的關(guān)系。

瞬態(tài)熱阻圖可用于計(jì)算任何持續(xù)時間的功率脈沖的溫升。例如，假設(shè) MOSFET 漏源電壓 （VDS） 的 12V 和漏極電流 （ID） 的 100A。MOSFET 的功耗為 12V ? 100A = 1.2kW。如果我們看一下1ms處的瞬態(tài)熱阻圖，熱阻為0.075°C/W。硅結(jié)溫為：

適用于 1ms、1.2kW 脈沖，固定外殼溫度為 25°C。

對于中等 VDS電壓（低于Spirito區(qū)域，見側(cè)欄），MOSFET制造商從瞬態(tài)熱阻圖生成SOA圖。換句話說，這兩個圖是相同信息的替代表達(dá)式。SOA圖顯示了每個V的硅芯片達(dá)到其最大結(jié)溫（150°C或175°C）所需的時間DS電壓和我D當(dāng)前組合。請注意，SOA 圖僅對 25°C 的外殼溫度有效，并且必須針對較高的外殼溫度（包括脈沖本身發(fā)生的外殼溫升）降額。（請參閱側(cè)欄“超過 10 毫秒”。

知道PSMN1R5-30BLE的最高結(jié)溫為175°C，并使用25°C的外殼溫度，我們可以計(jì)算出1.2kW的最大允許時間。

查看瞬態(tài)熱阻圖，我們發(fā)現(xiàn) Z千（JC）在大約2ms時穿過0.125°C/W，這也與SOA圖相匹配。

了解瞬態(tài)熱阻圖后，我們可以計(jì)算出25°C以外的外殼溫度的允許時間。 在之前的1.2kW示例中，外殼溫度為25°C時，允許時間為2ms?，F(xiàn)在，假設(shè)外殼溫度為 85°C：

查看瞬態(tài)熱阻圖，我們發(fā)現(xiàn) Z千（JC）在1ms時越過0.075°C/W，明顯低于我們在25°C外殼溫度下發(fā)現(xiàn)的2ms。

由于熱行為是線性的，因此我們可以使用瞬態(tài)熱阻抗圖來確定任何功率形狀的溫升。雖然可以使用卷積進(jìn)行此計(jì)算，但在電路模擬器（如SPICE）中更容易建模熱行為。特別是，LTspice中的SOAtherm工具可用于模擬MOSFET的熱行為。

超過10毫秒

對于大多數(shù)MOSFET，在瞬態(tài)事件持續(xù)不到10ms期間，外殼溫度不會顯著升高，因?yàn)闊崃客ㄟ^MOSFET硅和銅需要時間。大約在10ms時，熱量開始到達(dá)PCB。

如果 MOSFET 的銅片很小，則隨著熱量到達(dá) PCB，MOSFET 的溫度開始上升得更快。對于銅片較大的封裝（即D2PAK封裝），熱量開始向外移動到銅片中仍然冷卻的部分。因此，在高 SOA 應(yīng)用（熱插拔設(shè)計(jì)、線性放大器等）中，銅含量較高的封裝比銅含量較低的 MOSFET 性能更好，即使它們的瞬態(tài)熱阻和 SOA 圖看起來相似。

將銅視為一個儲層，有助于在 10ms–10s 時間范圍內(nèi)限制事件期間的 MOSFET 溫升。瞬態(tài)熱阻圖和SOA圖通常具有欺騙性，因?yàn)樗鼈兪峭ㄟ^假設(shè)外殼溫度由一個不可能完美的散熱器固定在25°C來創(chuàng)建的。

下圖顯示了焊接到頂層具有1oz銅平面的PCB上的Power-SO8封裝和D2PAK封裝的仿真熱特性。該圖還包括MOSFET數(shù)據(jù)手冊中外殼溫度固定的熱阻曲線。

在1ms處，熱量集中在硅芯片內(nèi)。D2PAK硅的熱阻為0.075°C/W，而Power-SO8的熱阻為0.14°C/W，這主要是由于D2PAK中的硅芯片更大。在10ms時，熱量開始到達(dá)銅片的底部，溫度開始發(fā)散。在100ms時，Power-SO8芯片的溫升為4.2°C/W，而D2PAK的溫升僅為0.6°C/W。

LTspice中的SOAtherm熱建?？深A(yù)測最大MOSFET管芯溫度

僅掌握 MOSFET 數(shù)據(jù)手冊 SOA 圖的設(shè)計(jì)人員在預(yù)測 MOSFET 是否適合熱插拔設(shè)計(jì)時面臨著艱巨的挑戰(zhàn)。幸運(yùn)的是，MOSFET熱行為（和SOA）可以在LTspice等電路仿真器中建模。

LTspice中包含的SOAtherm符號包括一系列MOSFET熱模型，這些模型簡化了預(yù)測MOSFET最大管芯溫度隨時間變化的任務(wù)，即使在Spirito區(qū)域也是如此。熱模型報(bào)告MOSFET芯片上最熱點(diǎn)的溫度，而不會影響MOSFET模型的電氣行為。

無論好壞，SOAtherm模型都基于MOSFET制造商的數(shù)據(jù)手冊，因此其準(zhǔn)確性僅與制造商的數(shù)據(jù)本身一樣準(zhǔn)確?？紤]到這一點(diǎn)，由于MOSFET制造商提供的SOA曲線通常是典型的數(shù)字，因此設(shè)計(jì)時要有足夠的裕量，沒有足夠的降額來考慮器件之間的差異。

使用 SOAtherm

要使用 SOAtherm，請?jiān)?LTspice 仿真中將 SOAtherm-NMOS 符號放在 MOSFET 的頂部（圖 3）。SOAtherm-NMOS 符號的 Tc 和 Tj 引腳上的電壓分別表示外殼溫度和硅結(jié)溫。（有關(guān)使用此模型的詳細(xì)信息，包括如何調(diào)整環(huán)境溫度設(shè)置和其他參數(shù)，請參閱 SOAtherm-NMOS 教程。

運(yùn)行仿真后，可以在波形查看器中觀察硅和外殼溫度（圖 4）。在這里顯示的波形中，MOSFET硅結(jié)溫從25°C上升到72°C。 外殼溫度從 25°C 上升到 35°C。 （Tc或Tj引腳上升1V相當(dāng)于1°C溫升。

記得模擬特殊情況

在使用SOAtherm確定是否可能超過MOSFET SOA限制時，有幾個重要的特殊情況不容忽視。

輸入電源階躍。例如，輸入電源可能從?36V快速步進(jìn)至?72V的?48V電信應(yīng)用的SOA要求可能需要具有重要SOA功能的MOSFET。當(dāng)電源被預(yù)先調(diào)節(jié)，或者被很好地控制以消除這些步驟時，SOA需求就會降低。

啟動到負(fù)載中。下游電路可能會在電源完全斜坡上升之前導(dǎo)通并吸收電流，或者電容器等組件可能在阻性短路中失效。仿真輸出端的阻性負(fù)載可以指示MOSFET何時可能意外地受到需要大量SOA的條件的影響。

在其他正常操作期間發(fā)生輸出短路。您永遠(yuǎn)不知道用戶何時會將回形針放入機(jī)箱，熱插拔電路（或保險(xiǎn)絲）可防止呼叫消防部門。

圖3.SOAtherm 通過在 LTspice 電路仿真中評估 SOA，簡化了熱插拔 MOSFET 的選擇。

精神效果

多年前，當(dāng)熱插拔設(shè)計(jì)中的最大電流小于10A時，很容易找到滿足大多數(shù)應(yīng)用的MOSFET。在過去十年中，有兩件事發(fā)生了變化。首先，電源電流顯著增加，100A或更高電流變得普遍。其次，MOSFET制造商一直在努力改進(jìn)MOSFET的電阻規(guī)格（RDS（ON）） 當(dāng)它們完全打開時。具有諷刺意味的是，這降低了在較高漏源電壓下可用的SOA，這就是所謂的“Spirito效應(yīng)”。保羅·斯皮里托教授1解釋說，隨著MOSFET制造商增加跨導(dǎo)以改善導(dǎo)通電阻，MOSFET通過形成不穩(wěn)定的熱點(diǎn)而失效的趨勢更大。

兩個主要因素競爭確定熱點(diǎn)是否導(dǎo)致MOSFET故障。其中一個因素是MOSFET能夠在不快速升高溫度的情況下耗散功率。（這反映在瞬態(tài)熱阻曲線上。第二個競爭因素是MOSFET電池在變熱時通過從相鄰電池竊取更多電流來“逃跑”的趨勢。第二個因素主要由MOSFET閾值電壓的溫度系數(shù)決定，該溫度系數(shù)隨著溫度的升高而下降，導(dǎo)致較熱電池中的“電流擁擠”。（由于 MOSFET 傳導(dǎo)通道中的載流子遷移率降低，MOSFET 跨導(dǎo)隨著溫度的升高而下降。它在一定程度上抵消了當(dāng)前的擁擠效應(yīng)，但在此解釋中可以安全地忽略。

在MOSFET封裝內(nèi)，有一個硅芯片，其中包含一系列MOSFET電池，其柵極、漏極和源極并聯(lián)連接。當(dāng)一些電池變得比其他電池更熱時，它們的閾值電壓相對于較冷的電池降低，導(dǎo)致較熱的電池傳導(dǎo)更多的電流。如果上面提到的競爭因素達(dá)到不穩(wěn)定的狀態(tài)，某些細(xì)胞可能會熱跑掉，吸收越來越多的電流，直到它們自毀。

斯皮里托效應(yīng)主要在高V下觀察到DS由于給定的電池電流變化導(dǎo)致的電壓在高V時會導(dǎo)致功率變化更大DS，導(dǎo)致細(xì)胞熱失控的趨勢增加。同樣，Spirito效應(yīng)在較低電流下最為明顯，MOSFET電池有更多的時間熱運(yùn)行。（在較高電流下，平均管芯溫度達(dá)到150°C或175°C，然后任何電池表現(xiàn)出明顯的熱失控。因此，高 VDS和低 IDSOA圖的區(qū)域，其中Spirito效應(yīng)占主導(dǎo)地位，有時被稱為“Spirito區(qū)域”，并在圖3的PSMN1R5-30BLE SOA中突出顯示。

斯皮里托地區(qū)

圖4.SOAtherm 波形。電壓對應(yīng)°C。

使用 LTC4226 寬工作范圍雙通道熱插拔控制器的示例

LTC?4226 是一款雙通道熱插拔控制器，可在電源電壓高達(dá) 44V 的應(yīng)用中驅(qū)動外部 N 溝道 MOSFET。

在圖 5 的電路中，LTC4226 為一個 12V 電源和一個 5V 電源提供了電流限制和斷路器功能。斷路器定時器配置有連接到 FTMR1 和 FTMR2 引腳的電容器。當(dāng)任一檢測電阻兩端的電壓介于 50mV 至 86mV 之間時，F(xiàn)TMR1 或 FTMR2 上的相應(yīng)電容器以 2μA 電流斜坡上升。

圖5.LTC4226 熱插拔控制器可保護(hù)一個 12V 和一個 5V 電源。兩個電源均提供 9A 穩(wěn)態(tài)電流，瞬態(tài)期間提供高達(dá) 17.2A 的電流。

由于在檢測電阻電壓達(dá)到86mV之前不接合電流限值，因此只要電流保持在86mV/5mΩ = 17.2A以下，MOSFET中的功耗就可以忽略不計(jì)。當(dāng)電流超過該電平時，將接合電流限制，F(xiàn)TMR1 或 FTMR2 引腳斜坡上升 20μA。當(dāng)相應(yīng)的FTMR引腳達(dá)到1.23V時，相應(yīng)通道的MOSFET關(guān)斷，從而設(shè)置MOSFET關(guān)斷前的最長時間。在本例中，100nF電容為兩個通道配置6.2ms的電流限制超時。

對于 LTC4226，當(dāng)輸出短路至地時，會出現(xiàn)最差情況下的 MOSFET 功率耗散。因此，確定所需的 SOA 非常簡單。（對于具有電流折返或功率限制功能的熱插拔控制器，需要付出更多努力來確定最壞情況下的負(fù)載條件。參考圖1中PSMN1R5-30BLE的SOA圖，可以看出6.2ms在17.2A和12V時的SOA限值之內(nèi)。SOAtherm仿真證實(shí)，總結(jié)溫升小于50°C。 同樣的仿真顯示，大約5°C的外殼溫升可以忽略不計(jì)，在短短的6ms事件中，這個相當(dāng)大的D2PAK封裝可以預(yù)期。

本例應(yīng)用中的 5V 電源對 MOSFET 采用 powerPAK-SO8 封裝，該封裝小于用于 12V 電源的 D2PAK。5V電源可以使用較小的封裝，因?yàn)?V電源的MOSFET的最差情況功耗為17.2A ? 5V = 86W，而12V電源的MOSFET的最差情況耗散為17.2A ? 12V = 206W。該電路的SOAtherm仿真預(yù)測結(jié)溫升為40°C，包括外殼溫升30°C。 與用于 12V 電源的 D2PAK 相比，powerPAK-SO8 封裝的尺寸更?。ㄣ~也相應(yīng)更少），從而解釋了外殼溫升較大。

上述計(jì)算和仿真有助于驗(yàn)證電路設(shè)計(jì)和MOSFET選擇，但最終測試必須在實(shí)驗(yàn)室中使用組裝好的電路完成。由于 LTC4226 的最壞情況 SOA 要求發(fā)生在輸出短路時，因此實(shí)驗(yàn)室測試非常簡單，只需快速施加具有接地輸出的輸入電源即可。一種很好的技術(shù)是將 LTC4226 電路熱插拔到一個帶電電源中，以模擬實(shí)際的熱插拔事件?；蛘撸梢栽谳斎腚娫赐耆?a target="_blank">供電時施加輸出短路。要確定電路是否有額外的裕量，請將定時器電容換成更大的值，然后再次測試。

圖6中的電路顯示了當(dāng)單個MOSFET可能無法滿足應(yīng)用的SOA要求時，使用兩個并聯(lián)MOSFET的技術(shù)。通常，不建議使用并聯(lián)MOSFET來提高電路的SOA能力。MOSFET 之間的失配，尤其是閾值電壓的失配，可能導(dǎo)致一個 MOSFET 熱失控并傳導(dǎo)所有電流。盡管如此，圖6中的電路通過在每個通道中實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的電流限制來安全地使用并聯(lián)MOSFET，從而防止任一MOSFET失控。

圖6.LTC4226 熱插拔控制器可保護(hù)一個 12V 電源，同時提供 18A 穩(wěn)態(tài)電流和瞬態(tài)期間高達(dá) 34.4A 的電流。

此外，交叉耦合PNP（Q1和Q2）僅允許斷路器定時器在兩個MOSFET都傳導(dǎo)其全電流時激活。如果沒有交叉耦合的PNP，如果一個通道的斷路器定時器提供更大的負(fù)載電流份額，則該定時器可以激活。

結(jié)論

隨著熱插拔應(yīng)用所需的功率水平不斷提高，對MOSFET安全工作區(qū)域的擔(dān)憂也隨之增加。通常，設(shè)計(jì)高功率熱插拔電路最具挑戰(zhàn)性的方面是確定特定的MOSFET是否能夠支持應(yīng)用。至少，電路設(shè)計(jì)人員必須能夠熟練地解釋MOSFET SOA圖。隨著功率水平的提高并接近現(xiàn)有MOSFET技術(shù)的極限，了解瞬態(tài)熱阻圖以及在SPICE電路仿真中仿真這種行為的能力是熱插拔電路設(shè)計(jì)人員庫中的寶貴工具。

審核編輯：郭婷