MOS管的Miller 效应

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 管导通过程。在此过程中， Miller 电容不起作用，是驱动电压通过栅极电阻给 Cgs 充电过程；
阶段2：MOS 管导通，使得 MOS 管漏极电压下降，通过 Miller 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：Miller 电容充满，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。