N-11 | 被动元件应用与 MOSFET 米勒效应：从去耦到桥臂直通防护

被动元件虽然"被动"，但用法极为精妙。电容不是简单的"储能元件"，电阻也不是只有"限流"一个用途。理解它们的完整功能分类，是设计可靠电路的第一步。

一、电容的功能分类

1. 滤波

• 电源输出端滤除纹波（铝电解 + MLCC 组合）
• 信号线滤除高频噪声（RC 低通滤波器）
• 截止频率 fc = 1 / (2π × R × C)

2. 储能

• 负载突变时提供瞬态电流（Buck 输出电容）
• 应对 MCU 瞬间大电流需求（去耦电容本质也是储能）
• 容量需满足：C = I_transient × Δt / ΔV

3. 软启动

• 配合 MOS 管实现电源缓启动，抑制上电浪涌电流
• RC 延时控制栅极上升时间

4. 去耦（旁路）

• 为芯片引脚提供局部能量池，减小电源环路面积
• 高频噪声的低阻抗泄放路径
• 典型配置：100nF（高频）+ 10μF（低频）并联

5. 抑制差模噪声

• 跨接在电源正负之间，为差模干扰提供低阻抗回路
• 配合共模电感使用

6. 补偿

• 运放反馈回路中的相位补偿电容（防止自激振荡）
• 开关电源控制环路的补偿网络（Type II / Type III）

7. 其他

• 开关管吸收电容（抑制关断电压尖峰）
• 芯片内部高频噪声泄放

二、电阻的功能分类

| 功能 | 说明 | 典型电路 | |------|------|----------| | 上拉 | 将信号线拉至高电平（默认状态） | I2C 总线、复位引脚、未用 GPIO | | 下拉 | 将信号线拉至低电平（默认状态） | BOOT0 选择、栅极默认关断 | | 限流 | 限制回路电流 | LED 驱动、栅极驱动电阻、串口 RX | | 泄放 | 断电后释放储能 | 电容放电电阻、栅极泄放电阻 |

电阻选型的工程考量

• 栅极驱动电阻（10~100Ω）：抑制振铃，但过大会降低开关速度
• 上拉电阻（4.7K~10K）：功耗与速度的折中（小电阻速度快但功耗大）
• 采样电阻（几 mΩ ~ 几 Ω）：精度要求高，选低温漂合金电阻

三、MOSFET 米勒效应

成因

MOS 管内部存在一个栅漏寄生电容 Cgd，又叫米勒电容。

在半桥或全桥电路中：

        VDC+
         │
        Q1 (高侧 NMOS)
         │
         ├──── 输出 (接负载/电感)
         │
        Q2 (低侧 NMOS)
         │
        GND

当 Q1 快速开通时，漏极电压 Vds 会极速跳变（从 VDC+ 跳变到 GND 或反之），产生极大的 dV/dt。

这个电压变化通过 Cgd 耦合产生感应电流：

米勒电流公式：I_Miller = Cgd × dVds/dt

危害

感应电流流入已经关断的对管栅极：

1. 若 Q2 应该关断，但米勒电流将 Q2 栅极电压抬高
2. 一旦超过开启阈值 Vth（通常 2~4V），Q2 意外导通
3. 上下桥臂同时导通 → 形成低阻通路 → 直通电流极大

后果

• 直通（Shoot-through）：VDC+ 经 Q1→Q2 直接短路到 GND
• 炸管：瞬时功率远超器件 SOA
• 发热严重：即使未炸管，直通也会导致额外损耗飙升
• 系统可靠性下降：每次开关周期都可能发生

四、米勒钳位（Miller Clamp）

原理

专门为栅极增加一条低阻抗泄放通道，将被米勒效应抬起来的栅极电压强行拉到 0V 附近。

实现方式

• 内部米勒钳位：部分驱动 IC（如 IR2110、UCC21520）内置钳位晶体管，检测到栅极电压异常即导通泄放
• 外部米勒钳位：在栅极电阻旁并联一个三极管或 NMOS，当驱动信号为低时导通泄放

效果

| 无米勒钳位 | 有米勒钳位 | |-----------|-----------| | 对管栅极电压被抬升 5~10V | 栅极电压被钳位在 < 2V | | 桥臂直通风险极高 | 可靠关断，无直通 | | 必须增加死区时间（降低效率） | 可减小死区，提高效率 |

工程建议

• 半桥 / 全桥 / 三相逆变电路必须使用米勒钳位
• 米勒电容 Cgd 越大（大电流 MOS 管），越需要钳位
• 驱动电阻不宜过大（否则米勒电流更显著抬高栅极电压）
• 负压关断（-3V ~ -5V）也是抑制米勒效应的有效手段

附：原始学习笔记手稿