如下是一個 NMOS 的開關(guān)電路,階躍信號 VG1 設(shè)置 DC 電平 2V,方波(振幅 2V,頻率 50Hz),T2 的開啟電壓 2V,所以 MOS 管 T2 會以周期 T=20ms 進行開啟和截止狀態(tài)的切換。
首先仿真 Vgs 和 Vds 的波形,會看到 Vgs=2V 的時候有一個小平臺,有人會好奇為什么 Vgs 在上升時會有一個小平臺?
MOS 管 Vgs 小平臺
帶著這個疑問,我們嘗試將電阻 R1 由 5K 改為 1K,再次仿真,發(fā)現(xiàn)這個平臺變得很小,幾乎沒有了,這又是為什么呢?
MOS 管 Vgs 小平臺有改善
為了理解這種現(xiàn)象,需要理論知識的支撐。
MOS 管的等效模型
我們通??吹降?MOS 管圖形是左邊這種,右邊的稱為 MOS 管的等效模型。
其中:Cgs 稱為 GS 寄生電容,Cgd 稱為 GD 寄生電容,輸入電容 Ciss=Cgs+Cgd,輸出電容 Coss=Cgd+Cds,反向傳輸電容 Crss=Cgd,也叫米勒電容。
如果你不了解 MOS 管輸入輸出電容概念,請點擊:帶你讀懂 MOS 管參數(shù)「熱阻、輸入輸出電容及開關(guān)時間」
米勒效應(yīng)的罪魁禍首就是米勒電容,米勒效應(yīng)指其輸入輸出之間的分布電容 Cgd 在反相放大的作用下,使得等效輸入電容值放大的效應(yīng),米勒效應(yīng)會形成米勒平臺。
首先我們需要知道的一個點是:因為 MOS 管制造工藝,必定產(chǎn)生 Cgd,也就是米勒電容必定存在,所以米勒效應(yīng)不可避免。
那米勒效應(yīng)的缺點是什么呢?
MOS 管的開啟是一個從無到有的過程,MOS 管 D 極和 S 極重疊時間越長,MOS 管的導通損耗越大。因為有了米勒電容,有了米勒平臺,MOS 管的開啟時間變長,MOS 管的導通損耗必定會增大。
仿真時我們將 G 極電阻 R1 變小之后,發(fā)現(xiàn)米勒平臺有改善?原因我們應(yīng)該都知道了。
MOS 管的開啟可以看做是輸入電壓通過柵極電阻 R1 對寄生電容 Cgs 的充電過程,R1 越小,Cgs 充電越快,MOS 管開啟就越快,這是減小柵極電阻,米勒平臺有改善的原因。
那在米勒平臺究竟發(fā)生了一些什么?
以 NMOS 管來說,在 MOS 管開啟之前,D 極電壓是大于 G 極電壓的,隨著輸入電壓的增大,Vgs 在增大,Cgd 存儲的電荷同時需要和輸入電壓進行中和,因為 MOS 管完全導通時,G 極電壓是大于 D 極電壓的。
所以在米勒平臺,是 Cgd 充電的過程,這時候 Vgs 變化則很小,當 Cgd 和 Cgs 處在同等水平時,Vgs 才開始繼續(xù)上升。
我們以下右圖來分析米勒效應(yīng),這個電路圖是一個什么情況?
MOS 管 D 極負載是電感加續(xù)流二極管,工作模式和 DC-DC BUCK 一樣,MOS 管導通時,VDD 對電感 L 進行充電,因為 MOS 管導通時間極短,可以近似電感為一個恒流源,在 MOS 管關(guān)閉時,續(xù)流二極管給電感 L 提供一個泄放路徑,形成續(xù)流。
MOS 管的開啟可以分為 4 個階段。
t0~t1 階段
從 t0 開始,G 極給電容 Cgs 充電,Vgs 從 0V 上升到 Vgs(th)時,MOS 管都處于截止狀態(tài),Vds 保持不變,Id 為零。
t1~t2 階段
從 t1 后,Vgs 大于 MOS 管開啟電壓 Vgs(th),MOS 管開始導通,Id 電流上升,此時的等效電路圖如下所示,在 IDS 電流沒有達到電感電流時,一部分電流會流過二極管,二極管 DF 仍是導通狀態(tài),二極管的兩端處于一個鉗位狀態(tài),這個時候 Vds 電壓幾乎不變,只有一個很小的下降(雜散電感的影響)。
t1~t2 階段等效電路
t2~t3 階段
隨著 Vgs 電壓的上升,IDS 電流和電感電流一樣時,MOS 管 D 極電壓不再被二極管 DF 鉗位,DF 處于反向截止狀態(tài),所以 Vds 開始下降,這時候 G 極的驅(qū)動電流轉(zhuǎn)移給 Cgd 充電,Vgs 出現(xiàn)了米勒平臺,Vgs 電壓維持不變,Vds 逐漸下降至導通壓降 VF。
t2~t3 階段等效電路
t3~t4 階段
當米勒電容 Cgd 充滿電時,Vgs 電壓繼續(xù)上升,直至 MOS 管完全導通。
結(jié)合 MOS 管輸出曲線,總結(jié)一下 MOS 管的導通過程
t0~t1,MOS 管處于截止區(qū);t1 后,Vgs 超過 MOS 管開啟電壓,隨著 Vgs 的增大,ID 增大,當 ID 上升到和電感電流一樣時,續(xù)流二極管反向截止,t2~t3 時間段,Vgs 進入米勒平臺期,這個時候 D 極電壓不再被續(xù)流二極管鉗位,MOS 的夾斷區(qū)變小,t3 后進入線性電阻區(qū),Vgs 則繼續(xù)上升,Vds 逐漸減小,直至 MOS 管完全導通。
MOS 管輸出曲線
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