如下是一个nmos的开关电路,阶跃信号vg1设置dc电平2v,方波(振幅2v,频率50hz),t2的开启电压2v,所以mos管t2会以周期t=20ms进行开启和截止状态的切换。
首先仿真vgs和vds的波形,会看到vgs=2v的时候有一个小平台,有人会好奇为什么vgs在上升时会有一个小平台?
mos管vgs小平台
带着这个疑问,我们尝试将电阻r1由5k改为1k,再次仿真,发现这个平台变得很小,几乎没有了,这又是为什么呢?
mos管vgs小平台有改善
为了理解这种现象,需要理论知识的支撑。
mos管的等效模型
我们通常看到的mos管图形是左边这种,右边的称为mos管的等效模型。
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。
如果你不了解mos管输入输出电容概念,请点击:带你读懂mos管参数「热阻、输入输出电容及开关时间」
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。
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。
那米勒效应的缺点是什么呢?
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。
仿真时我们将g极电阻r1变小之后,发现米勒平台有改善?原因我们应该都知道了。
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。
那在米勒平台究竟发生了一些什么?
以nmos管来说,在mos管开启之前,d极电压是大于g极电压的,随着输入电压的增大,vgs在增大,cgd存储的电荷同时需要和输入电压进行中和,因为mos管完全导通时,g极电压是大于d极电压的。
所以在米勒平台,是cgd充电的过程,这时候vgs变化则很小,当cgd和cgs处在同等水平时,vgs才开始继续上升。
我们以下右图来分析米勒效应,这个电路图是一个什么情况?
mos管d极负载是电感加续流二极管,工作模式和dc-dc buck一样,mos管导通时,vdd对电感l进行充电,因为mos管导通时间极短,可以近似电感为一个恒流源,在mos管关闭时,续流二极管给电感l提供一个泄放路径,形成续流。
mos管的开启可以分为4个阶段。
t0~t1阶段
从t0开始,g极给电容cgs充电,vgs从0v上升到vgs(th)时,mos管都处于截止状态,vds保持不变,id为零。
t1~t2阶段
从t1后,vgs大于mos管开启电压vgs(th),mos管开始导通,id电流上升,此时的等效电路图如下所示,在ids电流没有达到电感电流时,一部分电流会流过二极管,二极管df仍是导通状态,二极管的两端处于一个钳位状态,这个时候vds电压几乎不变,只有一个很小的下降(杂散电感的影响)。
t1~t2阶段等效电路
t2~t3阶段
随着vgs电压的上升,ids电流和电感电流一样时,mos管d极电压不再被二极管df钳位,df处于反向截止状态,所以vds开始下降,这时候g极的驱动电流转移给cgd充电,vgs出现了米勒平台,vgs电压维持不变,vds逐渐下降至导通压降vf。
t2~t3阶段等效电路
t3~t4阶段
当米勒电容cgd充满电时,vgs电压继续上升,直至mos管完全导通。
结合mos管输出曲线,总结一下mos管的导通过程
t0~t1,mos管处于截止区;t1后,vgs超过mos管开启电压,随着vgs的增大,id增大,当id上升到和电感电流一样时,续流二极管反向截止,t2~t3时间段,vgs进入米勒平台期,这个时候d极电压不再被续流二极管钳位,mos的夹断区变小,t3后进入线性电阻区,vgs则继续上升,vds逐渐减小,直至mos管完全导通。
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