干貨|臭名昭著的MOS管米勒效應(yīng)

時間：2021-09-18 14:54:04

關(guān)鍵字： MOS管

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如下是一個NMOS的開關(guān)電路，階躍信號VG1設(shè)置DC電平2V，方波（振幅2V，頻率50Hz），T2的開啟電壓2V，所以MOS管T2會以周期T=20ms進(jìn)行開啟和截止?fàn)顟B(tài)的切換。

首先仿真Vgs和Vds的波形，會看到Vgs=2V的時候有一個小平臺，有人會好奇為什么Vgs在上升時會有一個小平臺？

MOS管Vgs小平臺

帶著這個疑問，我們嘗試將電阻R1由5K改為1K，再次仿真，發(fā)現(xiàn)這個平臺變得很小，幾乎沒有了，這又是為什么呢？
MOS管Vgs小平臺有改善
為了理解這種現(xiàn)象，需要理論知識的支撐。
MOS管的等效模型
我們通常看到的MOS管圖形是左邊這種，右邊的稱為MOS管的等效模型。

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。
如果你不了解MOS管輸入輸出電容概念，請點擊：帶你讀懂MOS管參數(shù)「熱阻、輸入輸出電容及開關(guān)時間」

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)會形成米勒平臺。
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。
那米勒效應(yīng)的缺點是什么呢？

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。

仿真時我們將G極電阻R1變小之后，發(fā)現(xiàn)米勒平臺有改善？原因我們應(yīng)該都知道了。

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。
那在米勒平臺究竟發(fā)生了一些什么？
以NMOS管來說，在MOS管開啟之前，D極電壓是大于G極電壓的，隨著輸入電壓的增大，Vgs在增大，Cgd存儲的電荷同時需要和輸入電壓進(jìn)行中和，因為MOS管完全導(dǎo)通時，G極電壓是大于D極電壓的。

所以在米勒平臺，是Cgd充電的過程，這時候Vgs變化則很小，當(dāng)Cgd和Cgs處在同等水平時，Vgs才開始繼續(xù)上升。
我們以下右圖來分析米勒效應(yīng)，這個電路圖是一個什么情況？

MOS管D極負(fù)載是電感加續(xù)流二極管，工作模式和DC-DC BUCK一樣，MOS管導(dǎo)通時，VDD對電感L進(jìn)行充電，因為MOS管導(dǎo)通時間極短，可以近似電感為一個恒流源，在MOS管關(guān)閉時，續(xù)流二極管給電感L提供一個泄放路徑，形成續(xù)流。
MOS管的開啟可以分為4個階段。
t0~t1階段從t0開始，G極給電容Cgs充電，Vgs從0V上升到Vgs(th)時，MOS管都處于截止?fàn)顟B(tài)，Vds保持不變，Id為零。
t1~t2階段
從t1后，Vgs大于MOS管開啟電壓Vgs(th)，MOS管開始導(dǎo)通，Id電流上升，此時的等效電路圖如下所示，在IDS電流沒有達(dá)到電感電流時，一部分電流會流過二極管，二極管DF仍是導(dǎo)通狀態(tài)，二極管的兩端處于一個鉗位狀態(tài)，這個時候Vds電壓幾乎不變，只有一個很小的下降（雜散電感的影響）。
t1~t2階段等效電路
t2~t3階段
隨著Vgs電壓的上升，IDS電流和電感電流一樣時，MOS管D極電壓不再被二極管DF鉗位，DF處于反向截止?fàn)顟B(tài)，所以Vds開始下降，這時候G極的驅(qū)動電流轉(zhuǎn)移給Cgd充電，Vgs出現(xiàn)了米勒平臺，Vgs電壓維持不變，Vds逐漸下降至導(dǎo)通壓降VF。
t2~t3階段等效電路
t3~t4階段當(dāng)米勒電容Cgd充滿電時，Vgs電壓繼續(xù)上升，直至MOS管完全導(dǎo)通。
結(jié)合MOS管輸出曲線，總結(jié)一下MOS管的導(dǎo)通過程
t0~t1，MOS管處于截止區(qū)；t1后，Vgs超過MOS管開啟電壓，隨著Vgs的增大，ID增大，當(dāng)ID上升到和電感電流一樣時，續(xù)流二極管反向截止，t2~t3時間段，Vgs進(jìn)入米勒平臺期，這個時候D極電壓不再被續(xù)流二極管鉗位，MOS的夾斷區(qū)變小，t3后進(jìn)入線性電阻區(qū)，Vgs則繼續(xù)上升，Vds逐漸減小，直至MOS管完全導(dǎo)通。
MOS管輸出曲線

今天的文章內(nèi)容到這里就結(jié)束了，希望對你有幫助，我們下一期見。

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