فهم منطقة التشغيل الآمنة لـ MOSFET أو SOA

إذا كنت تتساءل أو تقلق بشأن مقدار الطاقة التي يمكن أن تتحملها MOSFET بدقة في ظل الظروف القاسية ، أو في ظل مواقف شديدة التبديد ، فإن أرقام SOA الخاصة بالجهاز هي بالضبط ما يجب أن تنظر إليه.

في هذا المنشور ، سنناقش بشكل شامل منطقة التشغيل الآمنة ، أو SOA ، كما تظهر في ورقة بيانات MOSFET.

ما يلي هو منطقة التشغيل الآمنة لـ MOSFET أو الرسم البياني SOA الذي يظهر عادة في الكل شركة Texas Instruments جداول البيانات.

يتم وصف MOSFET SOA بالحجم الذي يحدد القوة القصوى التي يمكن أن يتعامل معها FET أثناء تشغيله في منطقة التشبع.

يمكن رؤية اللمحة المكبرة لمخطط SOA في الصورة التالية أدناه.

في مخطط SOA أعلاه ، يمكننا رؤية كل هذه القيود والحدود. وبشكل أعمق في الرسم البياني نجد قيودًا إضافية للعديد من فترات النبض الفردية المختلفة. ويمكن تحديد هذه الخطوط الموجودة داخل الرسم البياني إما من خلال العمليات الحسابية أو القياسات الفيزيائية.

في أوراق البيانات السابقة والأقدم ، تم تقدير هذه المعلمات بالقيم المحسوبة.

ومع ذلك ، يوصى عادةً بقياس هذه المعلمات عمليًا. إذا قمت بتقييمها باستخدام الصيغ ، فقد ينتهي بك الأمر بالحصول على قيم افتراضية قد تكون حرفياً أكبر بكثير مما يمكن أن تتحمله FET في تطبيق العالم الحقيقي. أو ربما يمكنك تقليل (زيادة تعويض) المعلمات إلى مستوى قد يكون ضعيفًا للغاية ، بالنسبة لما يمكن أن يتعامل معه FET بالفعل.

لذلك في مناقشاتنا التالية نتعلم معلمات SOA التي يتم تقييمها من خلال طرق عملية حقيقية وليس عن طريق الصيغ أو المحاكاة.

لنبدأ بفهم ما هو وضع التشبع والوضع الخطي في FETs.

الوضع الخطي مقابل وضع التشبع

بالإشارة إلى الرسم البياني أعلاه ، يتم تعريف الوضع الخطي على أنه المنطقة التي يكون فيها RDS (on) أو مقاومة مصدر الصرف لـ FET متسقة.

هذا يعني أن التيار الذي يمر عبر FET يتناسب طرديًا مع التحيز من الصرف إلى المصدر من خلال FET. تُعرف أيضًا باسم المنطقة الأومية ، نظرًا لأن FET يعمل بشكل أساسي بشكل مشابه لمقاوم ثابت.

الآن ، إذا بدأنا في زيادة جهد انحياز مصدر التصريف إلى FET ، فسنجد في النهاية FET يعمل في منطقة تعرف باسم منطقة التشبع. بمجرد أن يتم إجبار عملية MOSFET على منطقة التشبع ، فإن التيار (أمبير) الذي يتحرك عبر MOSFET عبر الصرف إلى المصدر لم يعد يستجيب لزيادة جهد التحيز من الصرف إلى المصدر.

لذلك ، بغض النظر عن مقدار زيادة جهد التصريف ، يستمر FET في نقل مستوى أقصى ثابت للتيار من خلاله.

الطريقة الوحيدة التي يمكنك من خلالها معالجة التيار هي عادةً عن طريق تغيير جهد البوابة إلى المصدر.

ومع ذلك ، يبدو أن هذا الموقف محير بعض الشيء ، نظرًا لأن هذه هي أوصاف كتابك الدراسي للمنطقة الخطية والتشبع. لقد علمنا سابقًا أن هذه المعلمة يشار إليها غالبًا باسم المنطقة الأومية. ومع ذلك ، فإن بعض الأشخاص يسمون هذه المنطقة بأنها خطية. ربما تكون العقلية ، حسنًا ، تبدو كخط مستقيم ، لذا يجب أن تكون خطية؟

إذا لاحظت أن الناس يناقشون تطبيقات التبادل السريع ، فسوف يعبرون ، حسنًا ، أنا أعمل في منطقة خطية. لكن هذا في الأساس غير مناسب من الناحية التكنولوجية.

فهم MOSFET SOA

الآن بما أننا نعرف ما هي منطقة تشبع FET ، يمكننا الآن مراجعة مخطط SOA بالتفصيل. يمكن تقسيم SOA إلى 5 قيود فردية. دعونا نتعلم ما هم بالضبط.

تقييد RDS (on)

يمثل السطر الأول في الرسم البياني باللون الرمادي حد RDS (on) الخاص بـ FET. وهذه هي المنطقة التي تحد فعليًا من الحد الأقصى لمقدار التيار من خلال FET بسبب مقاومة الجهاز.

بمعنى آخر ، يشير إلى أعلى مقاومة لـ MOSFET والتي قد توجد عند أقصى درجة حرارة تقاطع مقبولة لـ MOSFET.

نلاحظ أن هذا الخط الرمادي له ميل ثابت موجب للوحدة ، وذلك ببساطة لأن كل نقطة داخل هذا الخط تمتلك قدرًا متطابقًا من مقاومة ON ، وفقًا لقانون أوم ، الذي ينص على أن R يساوي V مقسومًا على I.

القيد الحالي

يمثل خط التحديد التالي في الرسم البياني SOA القيد الحالي. في أعلى الرسم البياني ، يمكن رؤية قيم النبض المختلفة المشار إليها بالخطوط الزرقاء والخضراء والبنفسجية ، محدودة عند 400 أمبير بالخط الأسود الأفقي العلوي.

يشير المقطع الأفقي القصير للخط الأحمر إلى حد حزمة الجهاز ، أو الحد الحالي المستمر (DC) لـ FET ، عند حوالي 200 أمبير.

الحد الأقصى للطاقة

القيد الثالث SOA هو الحد الأقصى لخط الحد من الطاقة لـ MOSFET ، ويمثله الخط المنحدر البرتقالي.

كما نلاحظ أن ميل هذا الخط ثابت ولكنه سالب واحد. إنه ثابت لأن كل نقطة على خط حد الطاقة SOA تحمل نفس القوة الثابتة ، ممثلة بالصيغة P = IV.

ومن ثم ، في هذا المنحنى اللوغاريتمي SOA ، يولد هذا ميلًا قدره -1. ترجع الإشارة السالبة إلى حقيقة أن التدفق الحالي عبر MOSFET هنا يتناقص مع زيادة جهد مصدر الصرف.

ترجع هذه الظاهرة في المقام الأول إلى خصائص المعامل السلبي لـ MOSFET التي تقيد التيار عبر الجهاز مع زيادة درجة حرارة الوصلة.

حدود عدم الاستقرار الحراري

بعد ذلك ، يُشار إلى حدود MOSFET الرابعة عبر منطقة التشغيل الآمنة الخاصة بها بواسطة الخط الأصفر المنحدر ، والذي يمثل حد عدم الاستقرار الحراري.

عبر هذه المنطقة من SOA يصبح أمرًا بالغ الأهمية لقياس القدرة التشغيلية للجهاز. هذا لأن منطقة عدم الاستقرار الحراري هذه لا يمكن التنبؤ بها بأي وسيلة مناسبة.

لذلك ، نحتاج عمليًا إلى تحليل MOSFET في هذا المجال لمعرفة أين قد تفشل FET ، وما هي بالضبط القدرة على العمل لجهاز معين؟

وهكذا يمكننا أن نرى الآن ، إذا أخذنا حدود الطاقة القصوى هذه ، وقمنا بتمديدها على طول الطريق إلى أسفل الخط الأصفر ، إذن ، ما الذي سنجده فجأة؟

وجدنا أن حدود فشل MOSFET تهبط عند مستوى منخفض للغاية ، وهو أقل بكثير من حيث القيمة مقارنة بمنطقة الحد الأقصى للطاقة التي يتم الترويج لها في ورقة البيانات (يمثلها المنحدر البرتقالي).

أو افترض أننا كنا متحفظين للغاية ، وأخبرنا الناس أن ، انظروا أن المنطقة السفلية من الخط الأصفر هي في الواقع ما يمكن لـ FET التعامل معه بأقصى حد. حسنًا ، قد نكون في الجانب الأكثر أمانًا مع هذا الإعلان ، ولكن بعد ذلك قد نكون قد قمنا بتعويض قدرة الحد من الطاقة للجهاز ، والتي قد لا تكون معقولة ، أليس كذلك؟

هذا هو بالضبط السبب وراء عدم إمكانية تحديد منطقة عدم الاستقرار الحراري هذه أو المطالبة بها باستخدام الصيغ ، ولكن يجب اختبارها بالفعل.

تحديد جهد الانهيار

منطقة القيد الخامسة في الرسم البياني SOA هي حدود جهد الانهيار ، ممثلة بالخط العمودي الأسود. وهي مجرد قدرة معالجة جهد مصدر التصريف القصوى لـ FET.

وفقًا للرسم البياني ، يتميز الجهاز بـ 100 فولت BVDSS ، وهو ما يفسر سبب فرض هذا الخط العمودي الأسود عند علامة مصدر التصريف 100 فولت.

سيكون من المثير للاهتمام التحقيق في الفكرة السابقة لعدم الاستقرار الحراري أكثر قليلاً. لتحقيق ذلك ، سنحتاج إلى تحديد عبارة يشار إليها باسم 'معامل درجة الحرارة'.

معامل درجة حرارة MOSFET

يمكن تعريف معامل درجة حرارة MOSFET على أنه التغير في التيار على التغير في درجة حرارة الوصلة في MOSFET.

Tc = ∂ID / ∂Tj

لذلك عندما نفحص منحنى خصائص النقل لـ MOSFET في ورقة البيانات الخاصة به ، نجد تيار التصريف إلى المصدر لـ FET مقابل الجهد المتزايد من البوابة إلى المصدر لـ FET ، نجد أيضًا أن هذه الخصائص يتم تقييمها عند 3 نطاقات درجات حرارة مختلفة.

معامل درجة الحرارة الصفرية (ZTC)

إذا نظرنا إلى النقطة الممثلة بالدائرة البرتقالية ، فهذا ما سنشير إليه على أنه معامل درجة حرارة الصفر لل MOSFET .

في هذه المرحلة ، حتى لو استمرت درجة حرارة الوصلة للجهاز في الزيادة لا ينتج عنها أي تحسين في النقل الحالي من خلال FET.

أنا_د/ ∂T_ي = 0 ، أين أنا_د هو تيار الصرف من MOSFET ، تي_ي يمثل درجة حرارة تقاطع الجهاز

إذا نظرنا إلى المنطقة فوق معامل درجة الحرارة الصفري (الدائرة البرتقالية) ، بينما ننتقل من سالب -55 إلى 125 درجة مئوية ، فإن التيار عبر FET يبدأ بالفعل في الانخفاض.

أنا_د/ ∂T_ي <0

يشير هذا الموقف إلى أن MOSFET تزداد سخونة حقًا ، لكن الطاقة المشتتة من خلال الجهاز آخذة في الانخفاض. هذا يعني أنه لا يوجد في الواقع أي خطر من عدم استقرار الجهاز ، وقد يكون ارتفاع درجة حرارة الجهاز مسموحًا به ، وعلى عكس BJTs ، ربما لا يوجد خطر حدوث حالة هروب حراري.

ومع ذلك ، في التيارات في المنطقة التي تقع تحت معامل درجة الحرارة صفر (الدائرة البرتقالية) ، نلاحظ الاتجاه ، حيث تؤدي الزيادة في درجة حرارة الجهاز ، أي عبر سالب -55 إلى 125 درجة ، إلى قدرة النقل الحالية لـ الجهاز الذي سيزيد بالفعل.

أنا_د/ ∂T_ي > 0

يحدث هذا بسبب حقيقة أن معامل درجة حرارة MOSFET أعلى من الصفر عند هذه النقاط. ولكن ، من ناحية أخرى ، تؤدي الزيادة في التيار عبر MOSFET إلى زيادة متناسبة في RDS (on) (مقاومة مصدر التصريف) في MOSFET وتسبب أيضًا ارتفاعًا متناسبًا في درجة حرارة الجسم للجهاز بشكل تدريجي ، مما يؤدي إلى مزيد من التيار. نقل من خلال الجهاز. عندما تدخل MOSFET في هذه المنطقة من حلقة ردود فعل إيجابية ، فقد تتطور إلى عدم استقرار في سلوك MOSFET.

ومع ذلك ، لا أحد يستطيع معرفة ما إذا كان الموقف أعلاه قد يحدث أم لا ، ولا يوجد تصميم سهل للتنبؤ عندما قد ينشأ هذا النوع من عدم الاستقرار داخل MOSFET.

هذا لأنه قد يكون هناك الكثير من المعلمات المتضمنة في MOSFET اعتمادًا على بنية كثافة الخلية نفسها ، أو مرونة الحزمة لتبديد الحرارة بالتساوي في جميع أنحاء جسم MOSFET.

بسبب حالات عدم اليقين هذه ، يجب تأكيد عوامل مثل الانحراف الحراري أو أي عدم استقرار حراري في المناطق المشار إليها لكل MOSFET معين. لا ، لا يمكن تخمين سمات MOSFET هذه ببساطة عن طريق تطبيق معادلة فقد الطاقة القصوى.

لماذا الخدمية أمر بالغ الأهمية

يمكن أن تكون أرقام SOA مفيدة للغاية في تطبيقات MOSFET حيث يتم تشغيل الجهاز بشكل متكرر في مناطق التشبع.

كما أنه مفيد في للتبديل السريع أو تطبيقات التحكم Oring ، حيث يصبح من الضروري معرفة مقدار الطاقة التي يمكن لـ MOSFET تحملها ، من خلال الرجوع إلى مخططات SOA الخاصة بهم.

من الناحية العملية ، ستجد أن قيم منطقة التشغيل الآمنة لـ MOSFET تميل إلى أن تكون مفيدة جدًا لمعظم المستهلكين الذين يتعاملون مع التحكم في المحرك أو العاكس / المحول أو منتجات SMPS ، حيث يتم تشغيل الجهاز عادةً في درجات حرارة شديدة أو ظروف حمل زائد.

مصادر: تدريب MOSFET و منطقة تشغيل آمنة