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對MOS管在開關(guān)狀態(tài)下的Miller效應(yīng)的原因與現(xiàn)象進行分析

工程師鄧生 ? 來源:TsinghuaJoking ? 作者:卓晴 ? 2022-09-29 09:26 ? 次閱讀
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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。

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下面波形是在博文

ZVS振蕩電路工作原理分析中觀察到振蕩 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。

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▲ 圖1.1.1 LTspice仿真ZVS振蕩器電路圖

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▲ 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。

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▲ 圖1.2.1 MOS管開關(guān)電路

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。

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

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。

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▲ 圖1.2.3 MOS管柵極電壓與電流波形

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;

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▲ 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。

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▲ 圖1.3.1 MOS管分布電容

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。

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。

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▲ 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。

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▲ 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

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。

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▲ 圖1.5.1 人為增加?xùn)艠O電阻和漏柵極之間的電容

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▲ 圖1.5.2 人為拉長 Miller 臺階過程

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。

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

※ 總結(jié) ※

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。




審核編輯:劉清

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原文標題:MOS管的米勒效應(yīng)

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