[嵌入式] 【转】MOSFET密勒效应的计算与分析

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版主火星探索
2019-3-21 14:35:16 显示全部楼层

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最近在搞MOSfet,被密勒效应困惑住了,网上找了一些资料,和大家分享一下。




先上个University of Cambridge课程中的MOS图:






本文主要介绍下利用MOS管的密勒效应来设计冲击电流控制电路,通过定量分析较为精确的控制上电电流。


所谓冲击电流,电源电路上电时会对负载电容进行充电,相当于一个RC充电电路的电阻为零,理论上充电电流为无穷大。即使考虑导线的电阻和电容的ESR,这也是一个很大的冲击电流。网上有不少资料介绍密勒平台控制冲击电流的电路,但大多不满足硬件工程师的应用要求,即没有给出如何根据电流限制值,确定电路中器件参数。


一、什么是密勒效应

以增强型N沟道MOSFET为例介绍。

注:下文图中MOSFET符号是耗尽型,图暂时不做修改了。

                               
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情形一

假设N沟道MOSFET的漏源之间存在电容Cds,Cds充满电。

此时在栅极加电压,则Ugs瞬间变为Vg并保持不变;MOS管打开,Cds开始放电,放电电流恒定不变,Uds线性降低,直到为0。

情形二

在情形一的基础上,再假设MOS管的栅源间存在电容Cgs。



此时在栅极加电压,Cgs开始充电,Ugs上升,由于Rg的作用,充电电流越来越小,Ugs上升的速度越来越慢,即dUgs/dt越来越小。

Ids越来越大,到最大后保持不变;Uds下降,下降速度越来越快,最后一最大速度线性下降直到为0;

情形三

在情形二的基础上,再假设MOS管的栅漏之间存在电容Cdg。

这就相当于引入了一个电压负反馈,由于Uds下降,带动Ugs下降,Uds下降越来越快,引起Ugs下降速度越来越快。
此时有两个因素会引起Ugs电压的变化:

Vg的充电作用,引起Ugs上升,但上升的速度越来越慢;
Cdg的电压负反馈,引起Ugs下降,且下降速度越来越快;
最终上升的速度与下降的速度相等,导致Ugs保持不变,即dUgs/dt=0,这就是密勒效应。

电流分析

下文从电流的角度,分析整个密勒效应的过程,电流方向如下图所示:

                               
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首先,需要判断Idg的方向。Ugs上升,上升速度下降;Uds下降,下降速度上升;则,Cdg两端电压Udg是下降的,且下降的速度上升;因此,电容Cdg是向MOS管的漏极放电,Idg的方向,是通过Cdg从栅极流向漏极,且Idg越来越大,即:Ig=Idg+Igs。
Ig越来越小,Idg越来越大,最终Ig=Idg,此时Igs=0;即dUgs/dt=0。

再从MOS管的转移特性曲线上,分析情形三时,MOS管开启的整个过程。

MOS管开启后,Uds慢慢下降,最终由于密勒效应,进入恒流区,Ids保持不变,Uds继续下降,当Uds下降到一定值后,进入可变电阻区,Ugs开始上升。

可以看出,Ugs存在一个平台,所以密勒效应也叫密勒平台。

这是一个动态平衡的过程,当Ugs上升,Id变大,Uds下降,由于Cgd引入了电压负反馈,Ugs下降;从而Ig变大,Cgs充电,Ugs又上升。

基尔霍夫电压定律:Uds=Udg+Ugs

取导数:dUds/dt=dUdg/dt+dUgs/dt=dUdg/dt

又根据电容公式:Q=UC

即:dQds/Cdsdt=dQdg/Cdgdt

电荷对时间的变化率为电流

即:Ids/Cds=Idg/Cdg
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中尉whl970831
2019-3-21 19:12:40 显示全部楼层
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版主花师小哲
2019-3-21 17:24:19 显示全部楼层
不错,学到了

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版主快拆小分队
2019-3-21 17:44:37 显示全部楼层
干货
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下士湫兮御风
2019-4-13 08:59:12 显示全部楼层
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下士湫兮御风
2019-4-13 09:08:22 显示全部楼层
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版主火星探索
 楼主| 2019-4-20 11:26:44 显示全部楼层
大家都在水金币 看来这一篇文章没啥内容

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上士Dior
2019-4-20 14:41:12 显示全部楼层
作为一个机械= = 。真·知识盲区
有没有电控硬件的小伙伴支持下!

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