MOS管的Miller 效應(yīng)

本文對(duì)于 MOS 管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的 Miller 效應(yīng)的原因與現(xiàn)象進(jìn)行了分析。巧妙的應(yīng)用 Miller 效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)電源的緩啟動(dòng)。

01 Miller效應(yīng)

一、簡(jiǎn)介

MOS管的米勒效應(yīng)會(huì)在高頻開(kāi)關(guān)電路中，延長(zhǎng)開(kāi)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(gè)平坦的小臺(tái)階。這就是彌勒效應(yīng)所帶來(lái)的 MOS 管驅(qū)動(dòng)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(shuō)明 MOS 管的 Miller 效應(yīng)，下面在 LTspice 中搭建了最簡(jiǎn)單的 MOS 管開(kāi)關(guān)電路。

圖1.2.1 MOS管開(kāi)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(tái)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(tái)階產(chǎn)生的過(guò)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(gè)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(guò)程；

●    階段2：柵極電壓呈現(xiàn)平臺(tái)，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(guò)程；

圖1.2.4 MOS管導(dǎo)通過(guò)程的三個(gè)階段

三、Miller 原理說(shuō)明

下圖是一般 MOS 管三個(gè)電極之間的分布電容示意圖。其中：Cgs稱(chēng)為GS寄生電容，Cgd稱(chēng)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?zhǔn)拙褪敲桌针娙?，米勒效?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(huì)形成米勒平臺(tái)。

上面描述柵極電壓、電流變化三個(gè)階段分別是：

●    階段1：柵極電壓從 0V 開(kāi)始增加到 MOS 管導(dǎo)通過(guò)程。在此過(guò)程中， Miller 電容不起作用，是驅(qū)動(dòng)電壓通過(guò)柵極電阻給 Cgs 充電過(guò)程；

●    階段2：MOS 管導(dǎo)通，使得 MOS 管漏極電壓下降，通過(guò) 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(tái)；

●    階段3：Miller 電容充滿(mǎn)，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(diǎn)是什么呢？下圖顯示了在電感負(fù)載下，由于 Miller 效應(yīng) MOS管的開(kāi)關(guān)過(guò)程明顯拉長(zhǎng)了。MOS管的開(kāi)啟是一個(gè)從無(wú)到有的過(guò)程，MOS管D極和S極重疊時(shí)間越長(zhǎng)，MOS管的導(dǎo)通損耗越大。因?yàn)橛辛嗣桌针娙?，有了米勒平臺(tái)，MOS管的開(kāi)啟時(shí)間變長(zhǎng)，MOS管的導(dǎo)通損耗必定會(huì)增大。

圖1.3.2 MOS管在電感負(fù)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(gè)點(diǎn)是：因?yàn)镸OS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(kāi)關(guān)電路中，徹底消除Miller 效應(yīng)是不可能的。但可以通過(guò)減少柵極電阻 Rg來(lái)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(tái)就變得非常微弱了。

圖1.3.4 減少M(fèi)OS管柵極電阻 Rg=100Ω對(duì)應(yīng)的柵極電壓與電流波形

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MOS管的開(kāi)啟可以看做是輸入電壓通過(guò)柵極電阻R1對(duì)寄生電容Cgs的充電過(guò)程，R1越小，Cgs充電越快，MOS管開(kāi)啟就越快，這是減小柵極電阻，米勒平臺(tái)有改善的原因。

五、利用Miller效應(yīng)

MOS 管的 Miller 也不是一無(wú)是處，也可以利用 Miller 效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)電路緩啟動(dòng)的目的。認(rèn)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(zhǎng) Miller 臺(tái)階。

在下面電路中，認(rèn)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(zhǎng) Miller臺(tái)階的過(guò)程。輸出的波形形成了一個(gè)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(zhǎng) Miller 臺(tái)階過(guò)程

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

圖1.5.3 利用PMOS的Miller 效應(yīng)完成電源的緩啟動(dòng)

總結(jié)

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本文對(duì)于 MOS 管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的 Miller 效應(yīng)的原因與現(xiàn)象進(jìn)行了分析。巧妙的應(yīng)用 Miller 效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)電源的緩啟動(dòng)。

來(lái)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