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。
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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。
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▲ 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
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