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MOS管的Miller 效應

發布時間：2022-10-12 來源：TsinghuaJoking 責任編輯：wenwei

【導讀】本文對於 MOS 管工作在開關狀態下的 Miller 效應的原因與現象進行了分析。巧妙的應用 Miller 效應可以實現電源的緩啟動。

01 Miller效應

一、簡介

MOS管的米勒效應會在高頻開關電路中，延長開關頻率、增加功耗、降低係統穩定性，可謂是臭名昭著，各大廠商都在不遺餘力的減少米勒電容。

下麵波形是在博文 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台階。這就是彌勒效應所帶來的 MOS 管驅動電壓波形的變化。

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，下麵在 LTspice 中搭建了最簡單的 MOS 管開關電路。

圖1.2.1 MOS管開關電路

下麵給出了 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了小台階。

圖1.2.2 Miller效應仿真結果 R1=5kOhm

為了分析台階產生的過程，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，電流呈現先快後慢的電容充電過程；

● 階段2：柵極電壓呈現平台，電流急劇線性增加；

● 階段3：柵極電壓與電流都呈現電容充電過程；

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台。

上麵描述柵極電壓、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，形成電壓平台；

● 階段3：Miller 電容充滿，柵極電流向 Cgs, Cgd 充電，直到充電結束。

那米勒效應的缺點是什麼呢？下圖顯示了在電感負載下，由於 Miller 效應 MOS管的開關過程明顯拉長了。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，有了米勒平台，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管製造工藝，必定產生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 平台就變得非常微弱了。