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一文詳解MOS管的米勒效應

5CTi_cirmall ? 來源:搜狐網(wǎng) ? 作者:搜狐網(wǎng) ? 2020-09-24 11:24 ? 次閱讀

如下是一個NMOS的開關電路,階躍信號VG1設置DC電平2V,方波(振幅2V,頻率50Hz),T2的開啟電壓2V,所以MOS管T2會以周期T=20ms進行開啟和截止狀態(tài)的切換。

首先仿真Vgs和Vds的波形,會看到Vgs=2V的時候有一個小平臺,有人會好奇為什么Vgs在上升時會有一個小平臺?

MOS管Vgs小平臺

帶著這個疑問,我們嘗試將電阻R1由5K改為1K,再次仿真,發(fā)現(xiàn)這個平臺變得很小,幾乎沒有了,這又是為什么呢?

MOS管Vgs小平臺有改善 為了理解這種現(xiàn)象,需要理論知識的支撐。

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,請點擊:帶你讀懂MOS管參數(shù)「熱阻、輸入輸出電容及開關時間」

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。 首先我們需要知道的一個點是:因為MOS管制造工藝,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。 那米勒效應的缺點是什么呢? 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。 仿真時我們將G極電阻R1變小之后,發(fā)現(xiàn)米勒平臺有改善?原因我們應該都知道了。 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。 那在米勒平臺究竟發(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存儲的電荷同時需要和輸入電壓進行中和,因為MOS管完全導通時,G極電壓是大于D極電壓的。 所以在米勒平臺,是Cgd充電的過程,這時候Vgs變化則很小,當Cgd和Cgs處在同等水平時,Vgs才開始繼續(xù)上升。 我們以下右圖來分析米勒效應,這個電路圖是一個什么情況?

MOS管D極負載是電感加續(xù)流二極管,工作模式和DC-DC BUCK一樣,MOS管導通時,VDD對電感L進行充電,因為MOS管導通時間極短,可以近似電感為一個恒流源,在MOS管關閉時,續(xù)流二極管給電感L提供一個泄放路徑,形成續(xù)流。 MOS管的開啟可以分為4個階段。 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,MOS管都處于截止狀態(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管開始導通,Id電流上升,此時的等效電路圖如下所示,在IDS電流沒有達到電感電流時,一部分電流會流過二極管,二極管DF仍是導通狀態(tài),二極管的兩端處于一個鉗位狀態(tài),這個時候Vds電壓幾乎不變,只有一個很小的下降(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,MOS管D極電壓不再被二極管DF鉗位,DF處于反向截止狀態(tài),所以Vds開始下降,這時候G極的驅動電流轉移給Cgd充電,Vgs出現(xiàn)了米勒平臺,Vgs電壓維持不變,Vds逐漸下降至導通壓降VF。

t2~t3階段等效電路 t3~t4階段當米勒電容Cgd充滿電時,Vgs電壓繼續(xù)上升,直至MOS管完全導通。 結合MOS管輸出曲線,總結一下MOS管的導通過程 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ID上升到和電感電流一樣時,續(xù)流二極管反向截止,t2~t3時間段,Vgs進入米勒平臺期,這個時候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管完全導通。

MOS管輸出曲線

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原文標題:臭名昭著的MOS管米勒效應

文章出處:【微信號:cirmall,微信公眾號:電路設計技能】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。

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