MOS管工作在开关状态下的Miller效应的原因与现象分析

简 介： 本文对于 MOS 管工作在开关状态下的 Miller 效应的原因与现象进行了分析。巧妙的应用 Miller 效应可以实现电源的缓启动。

01 Miller效应

一、简介

MOS管的米勒效应会在高频开关电路中，延长开关频率、增加功耗、降低系统稳定性，可谓是臭名昭著，各大厂商都在不遗余力的减少米勒电容。

下面波形是在博文 ZVS振荡电路工作原理分析[1] 中观察到振荡 MOS 管栅极电压与漏极电压波形。可以看到栅极电压在上升阶段具有一个平坦的小台阶。这就是弥勒效应所带来的 MOS 管驱动电压波形的变化。

▲ 图1.1.1 LTspice仿真ZVS振荡器电路图

▲ 图1.1.1 ZVS振荡电路MOS管栅极电压波形

二、仿真波形

为了说明 MOS 管的 Miller 效应，下面在 LTspice 中搭建了最简单的 MOS 管开关电路。

▲ 图1.2.1 MOS管开关电路

下面给出了 MOS 管 M1 的漏极与栅极电压波形，可以清楚的看到栅极电压在上升与下降阶段都出现了小台阶。

▲ 图1.2.2 Miller效应仿真结果 R1=5kOhm

为了分析台阶产生的过程， 下图给出了仿真电路中 MOS 管的栅极电压与电流波形。

▲ 图1.2.3 MOS管栅极电压与电流波形

可以看到 MOS 管栅极电流包括三个阶段：

阶段1：栅极电压快速上升，电流呈现先快后慢的电容充电过程;

阶段2：栅极电压呈现平台，电流急剧线性增加;

阶段3：栅极电压与电流都呈现电容充电过程;

▲ 图1.2.4 MOS管导通过程的三个阶段

三、Miller 原理说明

下图是一般 MOS 管三个电极之间的分布电容示意图。其中：Cgs称为GS寄生电容，Cgd称为GD寄生电容，输入电容Ciss=Cgs+Cgd，输出电容Coss=Cgd+Cds，反向传输电容Crss=Cgd，也叫米勒电容。

▲ 图1.3.1 MOS管分布电容

米勒效应的罪魁祸首就是米勒电容，米勒效应指其输入输出之间的分布电容Cgd在反相放大的作用下，使得等效输入电容值放大的效应，米勒效应会形成米勒平台。

上面描述栅极电压、电流变化三个阶段分别是：

阶段1：栅极电压从 0V 开始增加到 MOS 管开始导通过程。在此过程中， 是驱动电压通过栅极电阻给 Ciss(Cgs+Cgd) 充电过程;

阶段2：MOS 管开始导通，使得 MOS 管漏极电压下降，通过 Miller (Cgd)电容将栅极充电电流吸收到漏极，造成 Cgs 充电减小，形成电压平台;

阶段3：Vds基本为0V，栅极电流向 Cgs, Cgd 充电，直到充电结束。

那米勒效应的缺点是什么呢?下图显示了在电感负载下，由于 Miller 效应 MOS管的开关过程明显拉长了。MOS管的开启是一个从无到有的过程，MOS管D极和S极重叠时间越长，MOS管的导通损耗越大。因为有了米勒电容，有了米勒平台，MOS管的开启时间变长，MOS管的导通损耗必定会增大。

▲ 图1.3.2 MOS管在电感负载下的电流电压图

四、消除Miller效应

首先我们需要知道的一个点是：因为MOS管制造工艺，必定产生Cgd，也就是米勒电容必定存在，所以米勒效应不可避免。在上述 MOS 开关电路中，彻底消除Miller 效应是不可能的。但可以通过减少栅极电阻 Rg来减少 Miller 效应的 影响。下图是将栅极电阻 Rg 减少到 100Ω，可以看到栅极电压中的 Miller 平台就变得非常微弱了。

▲ 图1.3.4 减少MOS管栅极电阻 Rg=100Ω对应的栅极电压与电流波形

MOS管的开启可以看做是输入电压通过栅极电阻R1对寄生电容Cgs的充电过程，R1越小，Cgs充电越快，MOS管开启就越快，这是减小栅极电阻，米勒平台有改善的原因。

五、利用Miller效应

MOS 管的 Miller 也不是一无是处，也可以利用 Miller 效应，实现电路缓启动的目的。认为的增加 MOS 管的栅极电阻，并在 MOS 管的漏极与栅极之间并联大型电容，可以人为拉长 Miller 台阶。

在下面电路中，认为的增加了栅极电阻和漏极和栅极之间的并联电容，这样就可以大大延长 Miller台阶的过程。输出的波形形成了一个三角脉冲的形式。

▲ 图1.5.1 人为增加栅极电阻和漏栅极之间的电容

▲ 图1.5.2 人为拉长 Miller 台阶过程

下面电路是利用了 PMOS 管上的 Miller 电容，实现了输出电压的缓启动，是用于一些电源上升速率有严格要求的场合。

▲ 图1.5.3 利用PMOS的Miller 效应完成电源的缓启动

总  结 

本文对于 MOS 管工作在开关状态下的 Miller 效应的原因与现象进行了分析。巧妙的应用 Miller 效应可以实现电源的缓启动。

审核编辑：汤梓红