MOS管的Miller 效應(yīng)

本文對于 MOS 管工作在開關(guān)狀態(tài)下的 Miller 效應(yīng)的原因與現(xiàn)象進行了分析。巧妙的應(yīng)用 Miller 效應(yīng)可以實現(xiàn)電源的緩啟動。

01 Miller效應(yīng)

一、簡介

MOS管的米勒效應(yīng)會在高頻開關(guān)電路中，延長開關(guān)頻率、增加功耗、降低系統(tǒng)穩(wěn)定性，可謂是臭名昭著，各大廠商都在不遺余力的減少米勒電容。

下面波形是在博文  ZVS振蕩電路工作原理分析[1]  中觀察到振蕩 MOS 管柵極電壓與漏極電壓波形?？梢钥吹綎艠O電壓在上升階段具有一個平坦的小臺階。這就是彌勒效應(yīng)所帶來的 MOS 管驅(qū)動電壓波形的變化。

圖1.1.1  LTspice仿真ZVS振蕩器電路圖

圖1.1.1  ZVS振蕩電路MOS管柵極電壓波形

二、仿真波形

為了說明 MOS 管的 Miller 效應(yīng)，下面在 LTspice 中搭建了最簡單的 MOS 管開關(guān)電路。

圖1.2.1 MOS管開關(guān)電路

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下面給出了 MOS 管 M1 的漏極與柵極電壓波形，可以清楚的看到柵極電壓在上升與下降階段都出現(xiàn)了小臺階。

圖1.2.2 Miller效應(yīng)仿真結(jié)果 R1=5kOhm

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為了分析臺階產(chǎn)生的過程， 下圖給出了仿真電路中 MOS 管的柵極電壓與電流波形。

圖1.2.3 MOS管柵極電壓與電流波形

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可以看到 MOS 管柵極電流包括三個階段：

●    階段1：柵極電壓快速上升，電流呈現(xiàn)先快后慢的電容充電過程；

●    階段2：柵極電壓呈現(xiàn)平臺，電流急劇線性增加；

●    階段3：柵極電壓與電流都呈現(xiàn)電容充電過程；

圖1.2.4 MOS管導(dǎo)通過程的三個階段

三、Miller 原理說明

下圖是一般 MOS 管三個電極之間的分布電容示意圖。其中：Cgs稱為GS寄生電容，Cgd稱為GD寄生電容，輸入電容Ciss=Cgs+Cgd，輸出電容Coss=Cgd+Cds，反向傳輸電容Crss=Cgd，也叫米勒電容。

圖1.3.1 MOS管分布電容

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米勒效應(yīng)的罪魁禍首就是米勒電容，米勒效應(yīng)指其輸入輸出之間的分布電容Cgd在反相放大的作用下，使得等效輸入電容值放大的效應(yīng)，米勒效應(yīng)會形成米勒平臺。

上面描述柵極電壓、電流變化三個階段分別是：

●    階段1：柵極電壓從 0V 開始增加到 MOS 管導(dǎo)通過程。在此過程中， Miller 電容不起作用，是驅(qū)動電壓通過柵極電阻給 Cgs 充電過程；

●    階段2：MOS 管導(dǎo)通，使得 MOS 管漏極電壓下降，通過 Miller 電容將柵極充電電流吸收到漏極，造成 Cgs 充電減小，形成電壓平臺；

●    階段3：Miller 電容充滿，柵極電流向 Cgs, Cgd 充電，直到充電結(jié)束。

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那米勒效應(yīng)的缺點是什么呢？下圖顯示了在電感負載下，由于 Miller 效應(yīng) MOS管的開關(guān)過程明顯拉長了。MOS管的開啟是一個從無到有的過程，MOS管D極和S極重疊時間越長，MOS管的導(dǎo)通損耗越大。因為有了米勒電容，有了米勒平臺，MOS管的開啟時間變長，MOS管的導(dǎo)通損耗必定會增大。

圖1.3.2 MOS管在電感負載下的電流電壓圖

四、消除Miller效應(yīng)

首先我們需要知道的一個點是：因為MOS管制造工藝，必定產(chǎn)生Cgd，也就是米勒電容必定存在，所以米勒效應(yīng)不可避免。在上述 MOS 開關(guān)電路中，徹底消除Miller 效應(yīng)是不可能的。但可以通過減少柵極電阻 Rg來減少 Miller 效應(yīng)的 影響。下圖是將柵極電阻 Rg 減少到 100Ω，可以看到柵極電壓中的 Miller 平臺就變得非常微弱了。

圖1.3.4 減少MOS管柵極電阻 Rg=100Ω對應(yīng)的柵極電壓與電流波形

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MOS管的開啟可以看做是輸入電壓通過柵極電阻R1對寄生電容Cgs的充電過程，R1越小，Cgs充電越快，MOS管開啟就越快，這是減小柵極電阻，米勒平臺有改善的原因。

五、利用Miller效應(yīng)

MOS 管的 Miller 也不是一無是處，也可以利用 Miller 效應(yīng)，實現(xiàn)電路緩啟動的目的。認為的增加 MOS 管的柵極電阻，并在 MOS 管的漏極與柵極之間并聯(lián)大型電容，可以人為拉長 Miller 臺階。

在下面電路中，認為的增加了柵極電阻和漏極和柵極之間的并聯(lián)電容，這樣就可以大大延長 Miller臺階的過程。輸出的波形形成了一個三角脈沖的形式。

圖1.5.1 人為增加?xùn)艠O電阻和漏柵極之間的電容

圖1.5.2 人為拉長 Miller 臺階過程

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下面電路是利用了 PMOS 管上的 Miller 電容，實現(xiàn)了輸出電壓的緩啟動，是用于一些電源上升速率有嚴格要求的場合。

圖1.5.3 利用PMOS的Miller 效應(yīng)完成電源的緩啟動

總結(jié)

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本文對于 MOS 管工作在開關(guān)狀態(tài)下的 Miller 效應(yīng)的原因與現(xiàn)象進行了分析。巧妙的應(yīng)用 Miller 效應(yīng)可以實現(xiàn)電源的緩啟動。

來源：TsinghuaJoking，卓晴  

參考資料

[1] ZVS振蕩電路工作原理分析: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/126400671