【導讀】本文對于 MOS 管工作在開關(guān)狀態(tài)下的 Miller 效應的原因與現(xiàn)象進行了分析。巧妙的應用 Miller 效應可以實現(xiàn)電源的緩啟動。
01 Miller效應
一、簡介
MOS管的米勒效應會在高頻開關(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。
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。可以看到柵極電壓在上升階段具有一個平坦的小臺階。這就是彌勒效應所帶來的 MOS 管驅(qū)動電壓波形的變化。
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
為了說明 MOS 管的 Miller 效應，下面在 LTspice 中搭建了最簡單的 MOS 管開關(guān)電路。
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。
圖1.2.2 Miller效應仿真結(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。
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；
圖1.2.4 MOS管導通過程的三個階段
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。
圖1.3.1 MOS管分布電容
??
米勒效應的罪魁禍首就是米勒電容，米勒效應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，米勒效應會形成米勒平臺。
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。
??
那米勒效應的缺點是什么呢？下圖顯示了在電感負載下，由于 Miller 效應 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管的導通損耗必定會增大。
圖1.3.2 MOS管在電感負載下的電流電壓圖
四、消除Miller效應
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，所以米勒效應不可避免。在上述 MOS 開關(guān)電路中，徹底消除Miller 效應是不可能的。但可以通過減少柵極電阻 Rg來減少 Miller 效應的 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。
圖1.3.4 減少MOS管柵極電阻 Rg=100Ω對應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
MOS 管的 Miller 也不是一無是處，也可以利用 Miller 效應，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。
圖1.5.1 人為增加柵極電阻和漏柵極之間的電容
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。
圖1.5.3 利用PMOS的Miller 效應完成電源的緩啟動
總結(jié)
??
本文對于 MOS 管工作在開關(guān)狀態(tài)下的 Miller 效應的原因與現(xiàn)象進行了分析。巧妙的應用 Miller 效應可以實現(xiàn)電源的緩啟動。
來源：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
免責聲明：本文為轉(zhuǎn)載文章，轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息，版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問題，請聯(lián)系小編進行處理。
推薦閱讀：
