MOS開關的米勒效應

2021-01-14 Egoedge

        米勒效應在MOS管的開關中是一個重要的現象，尤其是在功率電路中，對於電路的損耗影響是非常重要的。

        米勒效應，百度百科上的解釋是這樣的：密勒效應（Miller effect）是在電子學中，反相放大電路中，輸入與輸出之間的分布電容或寄生電容由於放大器的放大作用，其等效到輸入端的電容值會擴大1+K倍，其中K是該級放大電路電壓放大倍數。雖然一般密勒效應指的是電容的放大，但是任何輸入與其它高放大節之間的阻抗也能夠通過密勒效應改變放大器的輸入阻抗。

        簡單來說，就是放大電路中由於寄生電容的影響，導致的電路輸入阻抗改變的現象，最終的影響表現在電路的頻率響應發生改變。

        MOS的等效電路圖如上圖所示（省略了體二極體），3個管腳之間均存在極間電容。米勒效應在這裡指的就是跨接在輸入級與輸出級之間的電容（Cgd）對於MOS管的開啟與關閉過程的影響。

        Cgs在這裡被稱為米勒電容，一般在手冊中會給出Cgd的說明。米勒電容同時受Vds和開關頻率的影響。本文中的介紹以LR7843為例，這是一款功率MOS管，Ids可達100A以上。下圖為手冊中關於米勒電容的說明。

        下面通過對MOS開關過程的詳細分析來了解米勒電容的影響。

        這是手冊中給出的MOS開啟過程的波形圖。MOS的開啟過程可以分為5個過程。

        第一個階段，G級充電，可以等效為給Cgs充電，同時也是由於Cgs的存在，Vgs只能以一定的斜率上升，無法做到無限快，這也是限制MOS開關的一個因素。在Vgs上升到Vgs(th)之前為第一階段，這個階段是充電過程，MOS沒有動作。

        第二階段，是Vgs超過Vgs(th)之後的階段，當Vgs>Vgs(th)之後，MOS開始打開，Ids開始從0上升，隨著Vgs的增大，Ids開始增大，跨過恆流區到達可變電阻區。這個階段是MOS的開啟階段，在功率MOS的開關過程中，主要的損耗即產生在這個階段。此時MOS並未完全導通，所以Vds並沒有改變。

        第三階段，這個階段MOS已經完全打開，DS之間可以認為是完全導通，故而Vds開始下降，最終D級與S級電壓相同，這個階段比較有趣的是Cgd，之前的階段D級電壓高，而當MOS打開之後，相當於直接把D級短路到S級，電壓變為低，於是又要重新對Cgd充電，這樣就導致Vgs無法繼續升高，只能存在於一個平臺電壓上，這個現象就叫米勒效應，這個平臺也叫米勒平臺，同樣這個電容就叫米勒電容。

        第四階段，Cgd充電結束，Vgs繼續上升，一直上升到驅動信號的高電平處 ，至此MOS管打開。第五階段就不用再介紹，MOS處於開啟狀態。MOS的關斷過程是開啟過程的逆過程，同樣由於D級電壓由低突然變高，電容放電導致Vgs不能下降從而產生彌勒平臺。

        米勒平臺的存在使得MOS的開關時間增大，從而導致了開關損耗的增大，同時也由於米勒電容的存在，限制了MOS的開關頻率的的提高。

        由於米勒平臺所存在的時間是固定的，因此更高的開關頻率便意味著更高的開關損耗。這一點在開關電源中也同樣適用。更低的開關頻率可以帶來更高的效率，但隨之電源的響應時間也會加長，由於開關時間的增大，也會導致電感上電流的脈動增加，最後表現為電源紋波的增大。所以在開關電源的設計中開關頻率也值得花心思去考慮，如何兼顧效率與電源質量。

        為了減小米勒效應帶來的影響，可以採取以下幾點措施：第一，選擇Cgd較小的MOS管；第二，提高驅動電壓，避免出現驅動電壓臨界於平臺電壓的現象；第三，增強控制信號的驅動能力，這也是為什麼會有圖騰柱驅動電路的原因。

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