乾貨| Bambound MOS管米勒效應

2022-03-17 184

它是一個NMOS開關電路。階躍訊號VG1設定直流電平2V、方波(幅度2V、頻率50Hz)和T2的導通電壓2V，因此MOS管T2將在導通和截止狀態之間切換，週期T=20ms 。

先模擬Vgs和Vds的波形，可以看到當Vgs=2V時有一個小平台。有人會奇怪為什麼Vgs上漲的時候平台很小？

Mosvgs小平台

帶著這個問題，我們嘗試將電阻R1從5K改成1K，再次模擬，發現這個平台變得很小，幾乎沒有了。為什麼？

MOS Vgs小平台改進。

要理解這現象，就需要理論知識的支持。

MOS管等效模型

我們通常看到的MOS管圖是左圖，右圖稱為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，也稱為米勒電容。如果您不知道MOS管輸入輸出電容的概念，請點擊：帶您了解MOS管參數“熱阻、輸入輸出電容和開關時間”米勒效應的罪魁禍首是米勒電容。米勒效應是指其輸入與輸出之間的分佈電容Cgd在逆放大作用下被放大，使得等效輸入電容值放大的效應。米勒效應將形成米勒平台。

首先我們要知道的是：因為MOS管的製造過程中一定會產生Cgd，也就是米勒電容一定存在，所以米勒效應是不可避免的。
米勒效應有哪些缺點？

MOS管的開通是一個從無到有的過程。 MOS管的D極和S極重疊時間越長，MOS管的導通損耗就越大。由於米勒電容和米勒平台的存在，MOS管的導通時間變長，MOS管的導通損耗勢必會增加。

當我們在模擬中減少G極的電阻R1時，我們發現米勒平台得到了改善？我們都應該知道為什麼。

MOS管的導通可以看成是輸入電壓透過閘極電阻R1對寄生電容Cgs充電的過程。 R1越小，Cgs充電越快，MOS管導通越快，這就是減少閘極電阻、改善米勒平台的原因。
那麼米勒平台上發生了什麼事？
對於NMOS管來說，在MOS管導通之前，D極電壓大於G極電壓。隨著輸入電壓的升高，Vgs升高，Cgd中儲存的電荷需要同時與輸入電壓中和，因為MOS管滿載時G極電壓大於D極電壓開啟。

因此，在米勒平台上，是Cgd充電的過程，此時Vgs的變化很小。當Cgd和Cgs處於同一水平時，Vgs開始繼續上升。
我們來分析下右圖的米勒效應，這個電路圖是什麼狀況？

MOS管的D極負載為電感加續流二極體，其運作方式與DC-DC BUCK相同。 MOS管導通時，VDD對電感L充電，由於MOS管導通時間極短，因此電感可以近似地看作一個恆定電流源。 MOS管關閉時，續流二極體為電感L提供放電通路，形成續流電流。MOS管的開通可分為四個階段。
t0~t1階段 從t0開始，G極對電容器Cgs充電。當Vgs從0V上升到Vgs(th)時，MOS管全部處於截止狀態，Vds保持不變，Id為零。
t1~t2階段
t1時刻之後，Vgs大於MOS管的導通電壓Vgs(th)，MOS管開始導通，Id電流上升。此時的等效電路圖如下所示。當IDS電流未達到電感電流時，會有一部分電流流過二極管，二極體DF仍處於導通狀態，二極體兩端處於箝位狀態。此時Vds電壓幾乎不變，只有很小的下降（雜散電感的影響）。

T2~t3階段
隨著Vgs電壓的增加，當IDS電流與電感電流相同時，MOS管D極電壓不再被二極體DF箝位，DF處於反向截止狀態，因此Vds開始下降。此時G極的驅動電流轉移到Cgd充電，Vgs出現米勒平台，Vgs電壓維持不變，Vds逐漸下降至導通壓降VF。

從T3到T4，當米勒電容Cgd充滿電時，Vgs電壓繼續上升，直到MOS管完全導通。
結合MOS管的輸出曲線，總結MOS管的導通過程。
t0到t1期間，MOS管處於截止區； t1時刻之後，Vgs超過MOS管的導通電壓。隨著Vgs的增加，ID也隨之增加。當ID上升到與電感電流相同時，續流二極體反向關閉。 t2~t3時刻，Vgs進入米勒平台期，此時D極電壓不再被續流二極體箝位，MOS管的夾斷區變小。 t3時刻之後，Vgs持續上升，Vds逐漸下降，直至MOS管完全導通。

MOS管輸出曲線

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