출력 전압이 안정한 저소비 전력 저전압 강하 레귤레이터 설계

Abstract

최근 휴대용 전자기기의 시장 규모가 급격히 팽창함에 따라 이들 기기의 고성능화와 다기능화가 진행되고 있다. 이에 따라 한정된 배터리의 전원 용량으로 장시간 사용이 가능한 저소비 전력에 관한 연구와 각 하위 시스템(sub-system)의 정밀한 동작을 보증하기 위한 안정적인 전원 공급에 관한 연구가 진행 되고 있다 LDO는 선형(linear) 레귤레이터 방식의 DC/DC 변환기로서 공급 된 전원 전압으로부터 아날로그 또는 디지털로 구성된 하위 시스템에 강하(step down)된 전압을 공급하는 회로이다. 특히 휴대용 전자기기를 위한 LDO는 배터리로부터 전원을 공급받아 디지털 회로로 구성된 다양한 시스템에 전압을 공급하는데, 디지털 회로로 구성된 시스템의 경우 정상적인 연산 동작 중 전원으로부터 갑자기 많은 양의 전류를 사용할 때 또는 디지털 회로의 특정 모드(mode)에서 다른 모드로 변환하여 전류의 변화를 야기할 때 LDO의 출력 전압을 일시적으로 변화시켜, 시스템의 글리치(glitch)를 유발한다. LDO 부하인 시스템의 변화에도 안정적인 전압을 공급하여 글리치 등의 오동작을 예방하는 것이 중요한데, LDO의 천이 응답 시간을 최소화하여 LDO 출력 전류의 변화에도 안정적인 전압을 공급하는 것이 시스템의 오동작을 예방하기 위한 한 가지 방법이다. 따라서 본 논문에서는 LDO의 공급 전압 혹은 출력 전류의 변화에 따른 천이 응답 시간을 최소화하여 안정적인 전압을 공급하도록 빠른 천이 응답 시간을 갖는 LDO를 제안하되, 한정된 배터리 전원 용량으로 장시간 사용이 가능한 휴대용 전자기기를 위한 저소비 전력 LDO를 제안하고자 한다. 제안한 LDO 설계를 위해 일반적인 LDO의 동작 원리와 설계 방법을 먼저 언급하고, 이를 토대로 작은 load regulation 및 line regulation을 갖는 저소비 전력 LDO를 별도로 제안하여 저소비 전력과 안정적인 전압을 공급하기 위한 접근 방법을 먼저 설명한 뒤, 제안한 빠른 천이 응답 시간을 갖는 저소비 전력 LDO에 대하여 다루기로 한다. 본 논문에서는 LDO가 정상 상태에 있는 경우, 천이 응답 시간 보상 회로에 정전류가 흐르지 않고, 회로 복잡도와 면적의 큰 증가 없이 빠른 천이 응답 시간을 갖는 저소비 전력 LDO를 제안하였다. 각기 다른 사양(specification)을 가진 LDO의 성능을 평가하기 위해 정전류와 계단 펄스로 인가된 출력 전류(load current)의 변화량에 따른 천이 응답 시간의 관계를 정량적으로 표시한 FOM(figure of merit)을 채택하여[1][2][3], LDO의 성능을 측정하였고, 값이 작은 FOM을 갖는 LDO를 제안하였다. 제안한 LDO는 기존의 2단 class A 오류 증폭기 대신 2단 class AB 오류 증폭기를 사용하였고, 정상 상태 시 정전류가 흐르지 않는 대신 load regulation 및 line regulation의 천이 응답 시 빠른 천이 응답을 위한 회로가 동작하여 천이 응답이 빠른 LDO를 제안하였다. 제안한 LDO의 dropout voltage는 200mV 이하이며, 허용 가능한 최대 출력 전류는 190mA 이상이다. 제안한 LDO의 FOM은 0.007ns이고, load regulation과 line regulation의 천이 응답 시간은 각각 0.08㎲(I_(OUT)=10mA to 190mA)와 0.094㎲(V_(IN)=1.8V to 3.3V)이며, 정상 상태의 정전류(quiescent current)는 1.8V~3.3V의 입력 전압 범위에서 14㎂~16㎂이다.; Through recent explosive growth of mobile application market, the development of complexity in performance of mobile application has progressed. Therefore researches have progressed a low power consumption for mobile application to prolong battery life and a stable supplying power to guarantee precision and accurate operation. LDO(low-dropout linear regulator) is a DC/DC converter a type of linear regulator that supplies lower voltages from supply voltage for sub-system being composed of analog or digital circuits. Especially, LDO for mobile application are commonly used to provide power to low-voltage digital circuits, where point-of-load regulation is important. In these applications, it is common for the digital circuit to have several different modes of operation. As the digital circuit switches from one mode of operation to another, the load demand on the LDO can change quickly. This quick change of load results in a temporary glitch of the LDO output voltage. Therefor this paper proposes the LDO with the fast transient response time when induced step pulse input voltage and step pulse output current, and we design low power consumption LDO for mobile application to prolong battery life. In this paper, we propose the LDO that has the circuit for fast transient response time without complexity of circuit and additional large area. The LDO operates only transient state and it doesn't need a static current when LDO operates steady state. A figure of merit (FOM=T_(R)× (I_(Q)/I_(Load_max))is adopted to evaluate the tradeoffs between response time caused by induced step pulse output current Iq and Iomax of different LDOs. And we proposed LDO with smaller FOM. The proposed LDO uses two-stage error amplifier with class AB instead of two-stage error amplifier with class A and has a circuit for fast transient response time that operates at transient state only that caused by induced step pulse input voltage and output current. The proposed LDO has dropout voltage below 200mV and maximum output current above 190mA. And the LDO exhibits the FOM(Figure of Merit) of 0.007ns and has the quiescent current of 14㎂~16㎂ at steady state with the input voltage range of 1.8V to 3.3V. And the transient time of load regulation and line regulation are 0.08㎲(at =10mA to 190mA) and 0.094㎲(at =1.8V to 3.3V), respectively.