深入理解硬件基础元器件：缓启动电路原理与应用
深入理解硬件基础元器件：缓启动电路原理与应用
缓启动电路是硬件设计中的重要组成部分，其原理涉及到米勒效应和米勒电容。本文将深入探讨PMOS和NMOS缓启动电路的原理和区别，帮助读者更好地理解这一硬件基础元器件。
前言
本篇承接深入理解硬件基础元器件（2），主要讨论一下米勒效应和缓启动。米勒效应就是在MOS管导通过程中，输入端电压上升，但是有一段时间内输出端电压保持不变，这个过程就是米勒效应，利用这个效应，可以制作缓启动电路。这里稍微提一下，很多文章在讲解米勒电容的时候都使用PMOS，但是缓启动的时候又变成了NMOS，导致拿分析PMOS的逻辑去分析电路的时候，往往发现分析不出来或者逻辑对不上，这里做一下统一，都采用PMOS来进行分析，后面也会再解释一下NMOS，并且把二者进行一个对比。
一、米勒电容
在讨论米勒效应或者米勒电容之前，首先要了解一个概念：寄生参数。所谓寄生参数，就是由于工艺和物理特性，任何元器件都会在除了自己本身应该具有的特性之外，存在一些本来不该有的电容、电感、电阻特性，这些特性像寄生一样出现在元器件上，所以称其为寄生参数。
那MOS管的寄生参数有哪些呢？如果只看寄生电容，那么，在MOS管的每两个极之间，都存在一个寄生电容。我们以PMOS为例。
如果把寄生电容画出来，那实际上是这样的：
在这里，Cgd就是米勒电容，是它造成了米勒效应，而米勒效应就是缓启动的成因。
二、PMOS缓启电路
我们直接结合电路来看：
Vin是s端，Vout是d端，至于为什么要这么布置，后面会再说到。下面分析一下缓启的形成原因。
假设Vin是5V，并且晶体管开启电压小于5V。首先，当Control信号控制下面的三极管断开，此时Vg=Vin=5V，Ugs=0，MOS管不导通，C2两端电压相同，不充电，而由于此时Vout=0，C3两侧电压不同，C3充电，并且按照图中的布置，应该是下正上负。
随后，控制Control为高，打开三极管，g端相当于接地，于是Cgs（C2）开始缓慢充电，在图中相当于上正下负。但是此时C3是怎么变化的呢？随着g接地，C2下极板需要大量的负电荷去补充，所有有很多负电荷沿着g向上运动，但是，此时C3的下极板是正极，这导致它获取负电荷的能力比C2更强，所以负电荷优先去补充C3了，这相当于C3（Cgd）在此时限制了C2（Cgs）的变化，进一步限制了Ugs的变化，使PMOS的开启变慢。所以Cgd就是米勒电容，它控制了缓启效果，产生了米勒平台，当Cgd被补充满之后，C2才会继续得到电荷补充，这样，就减慢了启动速度，而这个补充Cgd的过程，Ugs基本保持了不变，相当于在上升过程形成了一个平台，称之为米勒平台。
三、NMOS缓启电路
分析完了PMOS，再来看NMOS。观察PMOS缓启动电路，可以看到Vin实际上是s端，Vout是d端。这个原因比较的时候再说，先看NMOS。
NMOS电路实际上就是把PMOS电路的输入输出端反过来，同时NMOS是高电平开启。
上图Vin是d端，Vout是s端。缓启动逻辑和PMOS差不多，初始时刻Control（g端）为低电平，Vin为高电平，C2（Cgd）充电，上正下负，此时C3两端电平相同，没有充电。
随后，Control接高电平，C3开始充电，且下正上负，正电荷本来要进入C3，但是都被C2下端的负电荷吸引走了，同样导致了米勒效应的出现。
四、一些问题
分析完NMOS和PMOS缓启动电路，有一些新的问题出现了。为什么NMOS和PMOS的输入输出相反？倒过来不行吗？PMOS和NMOS缓启动电路各有什么特点？
为了解答这个问题，我们来分析一下两种MOS管的开启逻辑。如果把PMOS管的D极结输入，那应该怎么给电容充电呢？假设初始时刻PMOS关断，那g极就是高电平，无论Cgd还是Cgs都不能充电。假设初始时刻g极是低电平，那PMOS就直接打开了，完全起不到缓启动的作用，NMOS也是同理。
第二个原因，体二极管。体二极管也叫寄生二极管，下图是NMOS的寄生二极管，它类似寄生电容、寄生电感，但又不完全一样。
在正常的缓启动电路中，NMOS都是s极接输出，d极接输入，那如果反过来呢？我们可以发现，在寄生二极管的作用下，电流可以直接跨过NMOS管单向流动，这就导致NMOS失去了作用。PMOS管的寄生二极管和NMOS管相反，也会导致MOS管失去作用，因此这就是不能反接的一个原因。
那有没有可以反接的情况呢？实际上是有的，“防反接电路”就是利用了MOS管的寄生二极管，当正负极没有接反时，电流可以通过寄生二极管形成回路，而如果正负极接反，那就会由于二极管的单向导通特性而无法通过，保护了后级电路。