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本文主要介紹了米勒效應的由來,并詳細分析了MOSFET開關過程米勒效應的影響,幫助定性理解米勒平臺的形成機制。最后給出了場效應管柵極電荷的作用。
假設一個增益為-Av 的理想反向電壓放大器
在放大器的輸出和輸入端之間連接一個阻值為Z 的阻抗。容易得到,
把阻抗Z 替換為容值為C 的電容,
由此可見,反向電壓放大器增加了電路的輸入電容,并且放大系數為(1+Av)。
這個效應最早由John Milton Miller 發現,稱為米勒效應。
以下來自維基百科的解釋:
米勒效應(Miller effect)是在電子學中,反相放大電路中,輸入與輸出之間的分布電容或寄生電容由于放大器的放大作用,其等效到輸入端的電容值會擴大1+K倍,其中K是該級放大電路電壓放大倍數。雖然一般密勒效應指的是電容的放大,但是任何輸入與其它高放大節之間的阻抗也能夠通過密勒效應改變放大器的輸入阻抗。
MOSFET中柵-漏間電容,構成輸入(GS)輸出(DS)的反饋回路,MOSFET中的米勒效應就形成了。
在t0-t1 時間內,VGS上升到MOSFET 的閾值電壓VG(TH)。
在t1-t2時間內,VGS繼續上升到米勒平臺電壓, 漏極電流ID 從0 上升到負載電流 。
(注:在漏極電流 IDS 未到負載電流 ID 時,一部分的負載電流( IDS-ID )流過二極管D,二極管導通MOSFET的漏極電壓 VDS 被VDD鉗位,保持不變,驅動電流只給 CGS 充電, VGS 電壓升高。一旦 IDS 達到負載電流 ID , 二極管D反向截止,MOSFET的漏極電壓 VDS 開始下降,驅動電流全部轉移給 CGD 充電,VGS 也就保持米勒平臺電壓不變。)
在t2-t3 時間內, VGS 一直處于平臺電壓, VDS 開始下降至正向導通電壓VF。
在t3-t4 時間后, VGS繼續上升。
首先,我們看一下MOSFET 寄生電容的大體情況。在MOSFET 的DATASHEET
中,采用的定義方法如圖所示。需要注意的是,Crss 就是我們所說的 CGD 。
一般在MOSFET 關閉狀態下, CGS比CGD 要大很多。以IRFL4310 為例,
IRFL4310中, Ciss=CGS+CGD=330pF , Crss=CGD=54pF,則,CGS=Ciss-CGD=276pF 。需要指出的是兩者的值都與電容兩端的電壓相關,這也就是為什么在DATASHEET 中會標明測試的條件。
幾乎所有的MOSFET規格書中,會給出柵極電荷的參數。柵極電荷讓設計者很容易計算出驅動電路開啟MOSFET所需要的時,Q=I*t間。例如一個器件柵極電荷Qg為20nC,如果驅動電路提供1mA充電電流的話,需要20us來開通該器件;如果想要在20ns就開啟,則需要把驅動能力提高到1A。如果利用輸入電容的話,就沒有這么方便的計算開關速度了。
下圖是柵極電荷波形, QGS被定義為原點與 Miller Plateau ( VGP) 起點之間的電荷值 ; QGD被定義為從 VGP 到效應平臺末端之間的電荷值;QG被定義為從原點到波曲線頂點之間的電壓,此時驅動電壓值 VGS與裝置的實際柵極電壓值相等。
備注
參考文獻
1. Power MOSFET Basics By Vrej Barkhordarian, International Rectifier, El Segundo, Ca.
2. Miller effect - Wikipedia en.wikipedia.org/wiki/M
3. Power MOSFET Basics: Understanding Gate Charge and Using it to Assess Switching Performance.