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臭名昭著的MOS管米勒效应

由 cathy 提交于

如下是一个NMOS的开关电路，阶跃信号VG1设置DC电平2V，方波（振幅2V，频率50Hz），T2的开启电压2V，所以MOS管T2会以周期T=20ms进行开启和截止状态的切换。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-09/博客/100052667-106390-1.png&quot; alt=“” ></center>

首先仿真Vgs和Vds的波形，会看到Vgs=2V的时候有一个小平台，有人会好奇为什么Vgs在上升时会有一个小平台？

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-09/博客/100052667-106391-2.png&quot; alt=“MOS管Vgs小平台"></center><center><i>MOS管Vgs小平台</i></center>

带着这个疑问，我们尝试将电阻R1由5K改为1K，再次仿真，发现这个平台变得很小，几乎没有了，这又是为什么呢？

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-09/博客/100052667-106392-3.png&quot; alt=“MOS管Vgs小平台有改善"></center><center><i>MOS管Vgs小平台有改善</i></center>

为了理解这种现象，需要理论知识的支撑。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-09/博客/100052667-106393-4.png&quot; alt=“MOS管的等效模型” ></center><center><i>MOS管的等效模型</i></center>

我们通常看到的MOS管图形是左边这种，右边的称为MOS管的等效模型。

其中：C<sub>gs</sub>称为GS寄生电容，C<sub>gd</sub>称为GD寄生电容，输入电容C<sub>iss</sub>=C<sub>gs</sub>+C<sub>gd</sub>，输出电容C<sub>oss</sub>=C<sub>gd</sub>+C<sub>ds</sub>，反向传输电容C<sub>rss</sub>=C<sub>gd</sub>，也叫米勒电容。

米勒效应的罪魁祸首就是米勒电容，米勒效应指其输入输出之间的分布电容C<sub>gd</sub>在反相放大的作用下，使得等效输入电容值放大的效应，米勒效应会形成米勒平台。

首先我们需要知道的一个点是：因为MOS管制造工艺，必定产生C<sub>gd</sub>，也就是米勒电容必定存在，所以米勒效应不可避免。

<strong>那米勒效应的缺点是什么呢？</strong>

MOS管的开启是一个从无到有的过程，MOS管D极和S极重叠时间越长，MOS管的导通损耗越大。因为有了米勒电容，有了米勒平台，MOS管的开启时间变长，MOS管的导通损耗必定会增大。

仿真时我们将G极电阻R1变小之后，发现米勒平台有改善？原因我们应该都知道了。

MOS管的开启可以看做是输入电压通过栅极电阻R1对寄生电容C<sub>gs</sub>的充电过程，R1越小，C<sub>gs</sub>充电越快，MOS管开启就越快，这是减小栅极电阻，米勒平台有改善的原因。

<strong>那在米勒平台究竟发生了一些什么？</strong>

以NMOS管来说，在MOS管开启之前，D极电压是大于G极电压的，随着输入电压的增大，Vgs在增大，C<sub>gd</sub>存储的电荷同时需要和输入电压进行中和，因为MOS管完全导通时，G极电压是大于D极电压的。

所以在米勒平台，是C<sub>gd</sub>充电的过程，这时候Vgs变化则很小，当C<sub>gd</sub>和C<sub>gs</sub>处在同等水平时，Vgs才开始继续上升。

我们以下右图来分析米勒效应，这个电路图是一个什么情况？

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-09/博客/100052667-106394-5.png&quot; alt=“” width="600" ></center>

MOS管D极负载是电感加续流二极管，工作模式和DC-DC BUCK一样，MOS管导通时，VDD对电感L进行充电，因为MOS管导通时间极短，可以近似电感为一个恒流源，在MOS管关闭时，续流二极管给电感L提供一个泄放路径，形成续流。

MOS管的开启可以分为4个阶段。

<strong><font color="#004a85">t0~t1阶段</font> </strong>

从t0开始，G极给电容C<sub>gs</sub>充电，Vgs从0V上升到Vgs(th)时，MOS管都处于截止状态，Vds保持不变，Id为零。

<strong><font color="#004a85">t1~t2阶段</font> </strong>

从t1后，Vgs大于MOS管开启电压Vgs(th)，MOS管开始导通，Id电流上升，此时的等效电路图如下所示，在IDS电流没有达到电感电流时，一部分电流会流过二极管，二极管DF仍是导通状态，二极管的两端处于一个钳位状态，这个时候Vds电压几乎不变，只有一个很小的下降（杂散电感的影响）。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-09/博客/100052667-106395-6.jpg&quot; alt=“t1~t2阶段等效电路"></center><center><i>t1~t2阶段等效电路</i></center>

<strong><font color="#004a85">t2~t3阶段</font> </strong>

随着Vgs电压的上升，IDS电流和电感电流一样时，MOS管D极电压不再被二极管DF钳位，DF处于反向截止状态，所以Vds开始下降，这时候G极的驱动电流转移给C<sub>gd</sub>充电，Vgs出现了米勒平台，Vgs电压维持不变，Vds逐渐下降至导通压降VF。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-09/博客/100052667-106396-7.png&quot; alt=“t2~t3阶段等效电路"></center><center><i>t2~t3阶段等效电路</i></center>

<strong>t3~t4阶段</strong>

当米勒电容C<sub>gd</sub>充满电时，Vgs电压继续上升，直至MOS管完全导通。

结合MOS管输出曲线，总结一下MOS管的导通过程

t0~t1，MOS管处于截止区；t1后，Vgs超过MOS管开启电压，随着Vgs的增大，ID增大，当ID上升到和电感电流一样时，续流二极管反向截止，t2~t3时间段，Vgs进入米勒平台期，这个时候D极电压不再被续流二极管钳位，MOS的夹断区变小，t3后进入线性电阻区，Vgs则继续上升，Vds逐渐减小，直至MOS管完全导通。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-09/博客/100052667-106397-8.png&quot; alt=“MOS管输出曲线"></center><center><i>MOS管输出曲线</i></center>

本文转载自： 记得诚电子设计
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