臭名昭著的MOS管米勒效應(yīng)講解

如下是一個(gè)NMOS的開關(guān)電路，階躍信號(hào)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(huì)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(huì)看到Vgs＝2V的時(shí)候有一個(gè)小平臺(tái)，有人會(huì)好奇為什么Vgs在上升時(shí)會(huì)有一個(gè)小平臺(tái)？

MOS管Vgs小平臺(tái)

帶著這個(gè)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(gè)平臺(tái)變得很小，幾乎沒有了，這又是為什么呢？

MOS管Vgs小平臺(tái)有改善

為了理解這種現(xiàn)象，需要理論知識(shí)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(qǐng)點(diǎn)擊：帶你讀懂MOS管參數(shù)「熱阻、輸入輸出電容及開關(guān)時(shí)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(huì)形成米勒平臺(tái)。

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。

那米勒效應(yīng)的缺點(diǎn)是什么呢？

MOS管的開啟是一個(gè)從無(wú)到有的過程，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)橛辛嗣桌针娙荩辛嗣桌掌脚_(tái)，MOS管的開啟時(shí)間變長(zhǎng)，MOS管的導(dǎo)通損耗必定會(huì)增大。

仿真時(shí)我們將G極電阻R1變小之后，發(fā)現(xiàn)米勒平臺(tái)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(duì)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(tái)有改善的原因。

那在米勒平臺(tái)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(chǔ)的電荷同時(shí)需要和輸入電壓進(jìn)行中和，因?yàn)镸OS管完全導(dǎo)通時(shí)，G極電壓是大于D極電壓的。

所以在米勒平臺(tái)，是Cgd充電的過程，這時(shí)候Vgs變化則很小，當(dāng)Cgd和Cgs處在同等水平時(shí)，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(gè)電路圖是一個(gè)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(shí)，VDD對(duì)電感L進(jìn)行充電，因?yàn)镸OS管導(dǎo)通時(shí)間極短，可以近似電感為一個(gè)恒流源，在MOS管關(guān)閉時(shí)，續(xù)流二極管給電感L提供一個(gè)泄放路徑，形成續(xù)流。

MOS管的開啟可以分為4個(gè)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(shí)，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(shí)的等效電路圖如下所示，在IDS電流沒有達(dá)到電感電流時(shí)，一部分電流會(huì)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(gè)鉗位狀態(tài)，這個(gè)時(shí)候Vds電壓幾乎不變，只有一個(gè)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(shí)，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(shí)候G極的驅(qū)動(dòng)電流轉(zhuǎn)移給Cgd充電，Vgs出現(xiàn)了米勒平臺(tái)，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(shí)，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(shí)，續(xù)流二極管反向截止，t2～t3時(shí)間段，Vgs進(jìn)入米勒平臺(tái)期，這個(gè)時(shí)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。