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干貨|臭名昭著的MOS管米勒效應(yīng)

發(fā)布時(shí)間:2022-03-18作者來(lái)源:薩科微瀏覽:3424

如下是一個(gè)NMOS的開(kāi)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(kāi)啟電壓2V,所以MOS管T2會(huì)以周期T=20ms進(jìn)行開(kāi)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(wèn),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(méi)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??吹降?a target="_blank" title="MOS管" href="/products/Low-voltageMOS.html">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(kāi)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)?a target="_blank" title="MOS管" href="/products/Low-voltageMOS.html">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(yīng)不可避免。  
  那米勒效應(yīng)的缺點(diǎn)是什么呢?
 
  MOS管的開(kāi)啟是一個(gè)從無(wú)到有的過(guò)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?,有了米勒平臺(tái),MOS管的開(kāi)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(kāi)啟可以看做是輸入電壓通過(guò)柵極電阻R1對(duì)寄生電容Cgs的充電過(guò)程,R1越小,Cgs充電越快,MOS管開(kāi)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(lái)說(shuō),在MOS管開(kāi)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)?a target="_blank" title="MOS管" href="/products/Low-voltageMOS.html">MOS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(guò)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(kāi)始繼續(xù)上升。  
  我們以下右圖來(lái)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)?a target="_blank" title="MOS管" href="/products/Low-voltageMOS.html">MOS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(kāi)啟可以分為4個(gè)階段。  
  t0~t1階段   從t0開(kāi)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(kāi)啟電壓Vgs(th),MOS管開(kāi)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(méi)有達(dá)到電感電流時(shí),一部分電流會(huì)流過(guò)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(kāi)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(guò)程  
  t0~t1,MOS管處于截止區(qū);t1后,Vgs超過(guò)MOS管開(kāi)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。  
   

MOS管輸出曲線






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