大功率 MOS 驱动设计中的米勒效应

大功率的 MOS 管驱动必须要考虑 MOS 管的米勒效应，MOS 管的米勒效应是物理特性决定的，只要 MOS 管存在 Cgd，就必然存在米勒效应。

先简单解释下 MOS 管的米勒平台，新入行的大部分工程师对米勒效应并不了解，对于一些小信号行业，或者小功率产品，低功耗产品从业者来说，甚至都没听过这个词，他们直观的认为，MOS 管的导通过程就跟反转 IO 信号一样自然，实际上并非如此。

我们来看一下MOS 管在开通时，Vgs 上的真实的波形信号：

一个 MOS 在开启的过程中，它的 Vgs 电压会经历三个阶段，一些小信号处理的MOS，或者低功率的 MOS 管为什么测试没有这样的波形呢？那是因为时间轴展开的不够，只要波形放的足够大，就一定能看到这个平台。

下面，我们先分析一下，米勒平台时怎么形成的。这里我们针对硬开关驱动感性负载，软开关的米勒平台不在这里讨论。

在 t0 时刻，MOS 管的 Vgs 电压为 0，MOS 处于关闭状态，此时 Vds 电压为 VDD，也就是我们要控制的电压并没有通过 MOS 管给到负载端。

在 t1 时刻，Vgs 达到了 MOS 的开启电压 Vth，Vth 通常在 2-3V 的样子，MOS 管的这个参数一致性并不是很好，因此这是一个范围。

我们知道，MOS 管栅极的输入阻抗是无限大的，为什么波形是一个逐渐增加的波形呢？这是因为 MOS 管的栅极和源极之间存在寄生电容 Cgs，驱动 MOS 就是给这个寄生电容充电的过程。

通常此时，MOS 管的 Rdson 开始从无限大变小，MOS 管中流过的电流逐渐上升。Vds 也随之逐渐降低。

在 t2 时刻，Rdson 减小的最小值，因此漏源电流开始恒定为 Id，此时电流达到最大值，Vds 的电压将快速跌落，其跌落曲线根据负载不同而不同，也会受到栅极电流的影响，其最终将接近 0，也就是 MOS 管完全导通。

问题来了，为什么从 t2 开始，Vgs 电压不上升了呢？ 看图：

因为，MOS 管的栅极和漏极之间还存在一个寄生电容叫做 Cgd，t2 时刻开始，我们的 Vgd 会根据负载的不同而下降到接近 0V（图中 S 接地参考点）。这个电压下降的过程中就会出现栅极电压要给 Cgd 充电的情况。如果这个充电的速度和 Vgd 下降的速度相同，那么就形成了一个电压持续不变的状态。

t2 到 t3 的持续时间不会很长，因为 Rdson 很小，当 Vgd 不在下降时，栅极电压将慢慢的给 Cgd 充电，直到 Vgs 到达驱动电压。

所以弥勒平台本质是漏极电压变化与栅漏电容的耦合，导致了栅极电压在某一个时间段被钉住了。

我们还可以发现，t0 到 t2 时刻的 Vgs 斜率比较陡峭，但是 t3 到 t4 时刻的 Vgs 斜率就缓和了很多，这是因为前一段主要是给 Cgs 充电，而后面一段是给 Cgs 和 Cgd 一起充电。

我们从开关功耗的角度来分析，哪几个阶段功耗最大呢？

MOS 的损耗公式为 P= U*I，也就是Vds * Id，那么可以看出，在开启的整个过程中，t1-t2 和 t2-t4 都会产生大量的热损耗。

在 t1-t2 阶段，Vds 还没有完全下降，但是电流 Id 是直线上升的，这个过程也是 Rdson 逐渐减小的过程。

在 t2-t3 阶段，Id 已经达到最大值，但是 Vds 还没有降低到最小，这也就是平台持续的过程。

因此我们要降低 MOS 管的开关损耗，主要是缩短 t1-t3 的时间。要想缩短 Vgs 爬升的时间，也就是要给两个电容充电的速度加快，最终还是需要我们加在栅极上的电流足够大才行。

假设现在我们有一个 MOS 管参数是 100V，2mR 内阻，它的规格书提供下面的动态参数，我们来分析一下如何驱动这个 MOS。

图标中的 Ciss 可以看下图：

相同电压和内阻的 MOS，他们的寄生参数会根据工艺的不同而不同，所以要想降低 MOS 管的开关损耗，首先就要选择 Ciss 小的管子。

如果 MOS 管我们已经选好了，那么我们只能靠强大的驱动电流来降低开关损耗了，比如我们上面的所选的 MOS 管的 Qg 是标称 169nC，这是，如果我们给定 2A 的驱动电流，那么根据公式

T = Qg / I = 169nC/2A = 84.5ns

整个 Vgs 上升，包括米勒平台阶段，只需要不到 100ns。这只是理论时长，我们还要考虑栅极驱动的限流电阻，以及米勒电容两端不断攀升的电压，因此实际的时长往往更长。