MOS管米勒效应详解

‌米勒效应‌是指MOS管在开关过程中，栅极和漏极之间的反向传输电容(Cgd)在开关作用下引起的瞬态变化现象。这种现象会导致驱动电压和漏源电流在一段时间内维持不变，形成一个“米勒平台”，从而增加开关损耗，降低效率。

米勒效应的形成原理

米勒效应的形成与MOS管的寄生电容有关。MOS管在制造过程中会产生寄生电容，包括输入电容Cgs、输出电容Cds和反向传输电容Cgd。在开关过程中，这些电容会充放电，导致电压和电流的变化。

米勒效应的影响

米勒效应会对MOS管的开关特性产生显著影响：

‌增加开通损耗‌：米勒平台会导致MOS管不能很快进入开关状态，从而增加开通损耗。

‌影响驱动电压和漏源电流‌：在米勒平台上，驱动电压和漏源电流在一定时间内维持不变，这会延长开关时间，降低效率。

减少米勒效应的方法

为了减少米勒效应的影响，可以采取以下措施：

‌减小驱动电阻和提高驱动电压‌：这可以加快电容的充电时间，从而缩短米勒平台的时间。

‌优化PCB布线‌：缩短驱动信号线的长度，加大宽度，以减少寄生电感。

‌选择Cgd较小的MOS管‌：Cgd越小，米勒效应的影响越小。

‌使用零电压开关技术‌：这种技术可以在一定程度上消除米勒平台，减少损耗。

米勒效应，在电子学中又被称为米勒平台现象，是反相放大电路中一个重要的概念。当输入与输出之间存在分布电容或寄生电容时，由于放大器的放大作用，这些电容在输入端呈现的等效电容值会显著增大，增大倍数达到1+Av，其中Av代表该级放大电路的电压放大倍数。这种现象对电路的性能和稳定性有着深远的影响，因此在实际应用中需要仔细考虑和妥善处理。

在考虑一个增益为Av的理想反相放大器时，我们需要注意到其输入Vi与输出Vo节点间的阻抗特性，通常表示为Z。基于这一特性，输出电压Vo与输入电压Vi之间的关系可以表达为Vo=-Av×Vi。

由于理想反相放大器的虚断特性，即输入电流为零，所有输入电流都必须通过阻抗Z，从而确保了输出电压Vo与输入电压Vi之间的精确关系。

根据理想反相放大器的虚断特性，我们可以推导出输入阻抗的表达式。由于输入电流为零，所有输入电流都必须通过阻抗Z，这使得输出电压Vo与输入电压Vi之间能够维持精确的关系。因此，输入阻抗可以得出为：

若阻抗Z代表的是电容的阻抗，则有：

接下来，我们进一步探讨输出电压与输入电压之间的关系。根据理想反相放大器的特性，输出电压Vo与输入电压Vi之间保持精确的比例关系。这种关系式的推导，正是基于输入阻抗的精确计算和虚断特性的深入理解。

将输入阻抗的计算公式代入，我们可以进一步推导出相关结果。

因此，米勒电容CM的值可以通过将电容值C乘以因子(1+Av)来计算得出。在电路中，跨接的反馈电容C可以等效为在输入端接地时的米勒电容CM。

在分析MOS管的开关行为时，我们首先需要审视其外部电路。虽然不同负载条件下的MOS管开关波形会稍有差异，但这并不妨碍我们深入探讨VGS平台电压的特性。特别是在功率MOS管的应用中，电感负载扮演着至关重要的角色。一种常见的电源开关电路，类似于BOOST拓扑，便充分利用了这一点。当MOS管的开关时间足够短暂时，电感可以近似为一个恒流源。在此情况下，若忽略二极管的压降影响，那么在MOS管截止时，二极管会接替其工作，通过续流将VDS电压稳定在输出电压的水平上。

接下来，我们将深入分析MOS管的电压波形，主要聚焦于之前提及的电路图。同时，为了便于分析，我们将以增强型N-MOS为例进行后续探讨。在开关应用中，MOS管的等效模型对于理解其行为至关重要。虽然完整的等效模型可能相当复杂，但通过限制模型的适用性，我们可以更专注于特定问题的分析。在实际应用中，MOS管通常被简化为一个等效电路，以便于理解和设计。

该等效模型揭示了影响开关性能的关键寄生元件。虽然源极电感(LS)和漏极电感(LD)也对开关性能构成一定限制，但本文的重点在于米勒平台的研究，因此主要聚焦于寄生电容的影响。在导通阶段，该过程可细分为四个时间间隔来深入探讨。

在第一个时间间隔内，当MOS管处于截止区时，VGS从0V开始充电，直至达到开启阈值电压VTH。这段时间内，大部分栅极电流主要用于给CGS电容器充电。同时，也有一小部分电流(即漏电流)流过CGD电容器。

进入第二个时间间隔后，一旦VGS超过VTH，MOSFET便开始导通，MOS管从截止区过渡到饱和区。在此阶段，电流继续流入CGS和CGD电容器，VGS电压持续上升，直至达到米勒平台电压(VGS,Miller)。在器件的输出端，随着漏极电流ID的增加，而VDS电压则保持相对稳定，这是因为ID在达到最大值之前，部分电流仍通过续流二极管进行续流，从而将VDS钳位在输出电压水平。

随后进入第三个时间间隔，此时MOS管仍停留在饱和区，VGS维持在米勒平台电压水平。在此阶段，ID电流完全流入MOSFET并达到其最大值，续流二极管关闭，导致VDS开始下降。同时，所有可用的栅极电流都流向CGD电容器。当米勒平台电压结束时，VDS>VGS-VTH的情况出现。

米勒效应能避免吗?

由上面的分析可以看出米勒平台是有害的，造成开启延时，导致损耗严重。但因为MOS管的制造工艺，一定会产生Cgd，也就是米勒电容一定会存在，所以米勒效应不能避免。

目前减小 MOS 管米勒效应的措施如下：

1. 提高驱动电压或者减小驱动电阻，目的是增大驱动电流，快速充电。但是可能因为寄生电感带来震荡问题;

2.ZVS 零电压开关技术是可以消除米勒效应的，即在 Vds 为 0 时开启沟道，在大功率应用时较多。