KR101223422B1

KR101223422B1 - 저 정지 전류 전압 레귤레이터를 형성하는 방법 및 그 구조

Info

Publication number: KR101223422B1
Application number: KR1020040025822A
Authority: KR
Inventors: 스테파니페리에; 패트릭베르나르드; 피에레다우데
Original assignee: 세미컨덕터 콤포넨츠 인더스트리즈 엘엘씨
Priority date: 2003-04-14
Filing date: 2004-04-14
Publication date: 2013-01-17
Also published as: CN100447698C; US20040201369A1; KR20040089594A; TWI335495B; US6979984B2; HK1069221A1; TW200428176A; CN1538261A

Abstract

전압 레귤레이터(10)의 출력 전압이 보상값을 초과할 때 흐르도록 보상 전류를 생성하기 위해 전압 레귤레이터(10)가 형성된다. 보상 전류는 출력 트랜지스터(24)의 누설 전류와 적어도 동일하다.

전압 레귤레이터, 보상값, 출력 트랜지스터, 누설 전류

Description

저 정지 전류 전압 레귤레이터를 형성하는 방법 및 그 구조{Method of forming a low quiescent current voltage regulator and structure therefor}

도 1은 본 발명에 따른 전압 레귤레이터의 실시예의 일부를 개략적으로 예시하는 도면.

도 2는 본 발명에 따른 도 1의 전압 레귤레이터를 포함하는 반도체 장치의 실시예의 일부를 개략적으로 예시하는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 전압 레귤레이터 24: 출력 트랜지스터

본 발명은 일반적으로 전자 공학 분야에 관한 것으로, 특히, 반도체 장치들을 형성하는 방법 및 구조에 관한 것이다.

과거에, 반도체 산업은 선형 전압 레귤레이터들을 포함하는 전압 레귤레이터들을 구현하기 위해 다양한 방법들 및 구조들을 사용하였다. 정상 동작 동안에, 전압 레귤레이터에 의해 생성된 출력 전압이 소망의 동작값에 도달하였을 때, 전압 레귤레이터는 출력 트랜지스터를 디스에이블시킨다. 출력 트랜지스터는 출력 전압이 소망의 동작값보다 작은 값까지 감소되는 시간까지 디스에이블 상태를 유지한다. 외부 필터 커패시터 및 부하는 일반적으로 레귤레이터의 출력에 연결되었다. 출력 트랜지스터가 디스에이블된 시간 동안, 출력 트랜지스터로부터의 누설 전류가 외부 필터 커패시터를 통해 흐르고, 필터 커패시터를 계속 충전한다. 누설 전류가 커패시터를 충전하고, 커패시터 상의 전압이 값이 증가하여 부하에 손상을 유발하는 값에 도달할 수 있다. 일부 경우들에서, 트랜지스터로부터의 누설 전류가 필터 커패시터를 통해 흐르지 않고 저항을 통해 흐르도록 저항이 출력 트랜지스터와 접지 사이에 연결되었다. 이와 같은 구성들의 한가지 문제점은 전력 소실이었다. 저항을 통해 흐르는 누설 전류는 정지 전류(quiescent current) 소모 및 이에 따른 전압 레귤레이터의 전력 소비를 증가시켰다. 일반적으로, 이와 같은 저항 구성을 이용하는 전압 레귤레이터의 평균 정지 전류 소모는 약 55㎂보다 작지 않다.

따라서, 정지 전류 소모를 감소시키고 출력 전압을 부하를 손상시키는 값 이하로 유지시키는 전압 레귤레이터 형성 방법을 갖는 것이 바람직하다.

예시의 간단화 및 명료성을 위해, 도면들의 소자들은 반드시 실제 크기는 아니며, 상이한 도면들내의 동일 참조 번호들은 동일 소자들을 나타낸다. 부가적으로, 잘 알려진 단계들 및 소자들의 설명들 및 세부사항들은 설명의 간단화를 위해 생략된다. 여기서 사용되는 바와 같이, 전류 수송 전극은 MOS 트랜지스터의 소스 또는 드레인 또는 바이폴라 트랜지스터의 에미터 또는 콜렉터와 같은 장치를 통해 전류를 수송하는 장치의 소자를 의미하며, 제어 전극은 MOS 트랜지스터의 게이트 또는 바이폴라 트랜지스터의 베이스와 같은 장치를 통해 전류를 제어하는 장치의 소자를 의미한다.

도 1은 저 정지 전류 소모 및 저 전력 소비를 갖는 전압 레귤레이터(10)의 일실시예의 일부를 개략적으로 예시한다. 레귤레이터(10)는 전력 입력부(11) 및 전력 반환부(12)상의 외부 소스로부터 전력을 수신하고, 전압 출력부(13)와 전압 반환부(voltage return)(14) 사이에 출력 전압을 제공한다. 필터 커패시터(34) 및 부하(33)는 출력부(13)와 반환부(14) 사이에서 레귤레이터(10)에 외부적으로 연결된다. 레귤레이터(10)는 에러 증폭기(26), 출력 장치 또는 출력 트랜지스터(24), 피드백 네트워크(19) 및 기준 발생기(16)를 포함한다. 전반적으로 점선 박스에 의해 표시된 네트워크(19)는 저항(23)에의 저항(22)의 접속에 의해 형성된 피드백 노드(21)를 갖는 저항 분할기를 형성하도록 출력부(13)와 반환부(14) 사이에 직렬로 접속된 한 쌍의 피드백 저항들(22 및 23)을 포함한다. 에러 증폭기(26)는 노드(21)로부터의 피드백 전압 및 기준 발생기(16)의 출력부(17)로부터의 기준 전압을 수신한다. 증폭기(26)는 기준 전압 및 피드백 전압을 수신하고, 이에 응답하여 증폭기(26)의 출력상에서 에러 전압을 생성한다. 레귤레이터(10)는 출력 전압의 값을 소망의 동작 전압으로 제어하기 위해 트랜지스터(24)를 구동하도록 에러 전압을 사용한다. 소망의 동작 전압은 기준 전압의 값 및 전압 분할기의 값에 의해 형성된다. 당업자들은 소망의 동작 전압은 일반적으로 상한 및 하한들을 포함하는 소망의 동작 범위를 갖는다는 것을 이해하고 있다. 예로서, 2와 1/2 전압(2.5 V)의 소망의 동작 전압값은 + 또는 - 2% (±2%)인 상한 및 하한들을 포함하는 소망의 동작 범위를 포함할 수 있다. 따라서, 소망의 동작 전압 범위는 약 2.5V의 통상값과, 약 2.55V의 최대값 및 약 2.45V의 최소값을 갖는다. 출력 전압의 값이 통상값보다 작을 때, 피드백 전압의 값은 기준 전압의 값보다 작으며, 에러 증폭기(26)는 트랜지스터(24)를 인에이블하는 에러 전압을 형성한다. 트랜지스터(24)는 부하(33) 및 커패시터(34)를 통해 흐르는 부하 전류(IL)를 공급하고, 출력 전압을 소망의 동작값으로 증가시키기 위해 커패시터(34)를 충전한다. 출력 전압의 값이 소망의 동작값에 도달하였을 때, 피드백 전압은 출력부(17) 상의 기준 전압값과 같거나 크며, 에러 증폭기(26)는 트랜지스터(24)를 디스에이블시키는 에러 전압값을 생성한다. 네트워크(19), 생성기(16), 증폭기(26) 및 트랜지스터(24)의 특징들 및 동작은 당업자들에게 잘 알려져 있다.

또한, 레귤레이터(10)는 레귤레이터의 정지 전류 및 전력 소비를 감소시키는 것을 돕는, 전반적으로 점선 박스로 표시된 보상 회로(20)를 포함한다. 회로(20)는 선택형 전류 소스(28), 고정 전류 소스(29), 보상 비교기(27) 및 기준 오프셋(18)을 포함한다. 레귤레이터(10)는 출력 전압의 값이 제 1 전압값 또는 보상 전압값보다 작을 때, 선택형 전류 소스(28)가 트랜지스터(24)로부터 소스(28)를 통해 반환부(12)로 흐르는 보상 전류를 선택적으로 생성할 수 있도록 형성되어 있다. 일반적으로, 보상 전압의 값은 소망의 동작 전압 범위의 최대값 보다 크고 부하(33)를 손상시킬 수 있는 값보다는 작다. 이하에서 알 수 있는 바와 같이, 오프셋(18)은 오프셋 전압값과 발생기(16)로부터의 기준 전압의 값의 합과 같은 오프셋 기준 전압을 형성한다. 비교기(27)는 오프셋 기준 값 및 피드백 전압을 수신하고, 이에 응답하여 선택형 전류 소스(28)를 인에이블 또는 디스에이블시킨다.

고정 전류 소스(29)는 트랜지스터(24)로부터의 전류의 고정된 값을 싱크(sink)한다. 이 전류의 고정된 값은 일반적으로 온도를 포함하는 통상 동작 조건들 및 일반 처리 조건들 하에서 트랜지스터(24)로부터 예상되는 누설 전류의 값과 유사하도록 형성된다. 통상의 동작 및 처리 조건들 하에서, 트랜지스터(24)가 디스에이블될 때, 소스(29)는 트랜지스터(24)로부터 누설 전류를 싱크하고, 트랜지스터(24)로부터의 누설 전류는 커패시터(34) 또는 부하(33)를 통해 흐르지 않는다. 그러나, 트랜지스터(24)를 형성하기 위해 사용되는 처리 조건들이 통상 프로세스 파라미터들로부터 변하게 되거나, 동작 상태들이 통상 동작 상태들로부터 변하는 경우에, 트랜지스터(24)가 디스에이블될 때, 트랜지스터(24)로부터의 누설 전류가 고정된 소스(29)에 의해 싱크된 전류를 초과한다. 이 잉여 누설 전류 또는 초과 누설 전류는 고정된 소스(29)에 의해 싱크되어 커패시터(34)를 통해 흐를 수 있는 누설 전류보다 크다. 잉여 누설 전류는 커패시터(34)를 충전하기 시작하여, 입력 전압의 값의 증가를 초래한다. 출력 전압은 피드백 전압과 오프셋(18)으로부터의 오프셋 기준 전압의 값에 의해 형성된 보상값에 도달할 때까지 증가한다. 보상 비교기(27)는 피드백 전압과 오프셋 기준 전압을 받아들이고, 이에 응답하여 출력 전압의 값이 보상 전압의 값에 도달할 때, 소스(28)를 인에이블한다. 보상 전류와 고정 전류의 합은 트랜지스터(24)의 최악의 경우의 누설 전류와 적어도 같아야 하며, 그보다 큰 것이 바람직하다. 바람직한 실시예에서, 보상 전류 단독이 트랜지스터(24)의 최악의 경우의 누설 전류와 적어도 같거나 그보다 크도록 형성된다. 이는 최악의 경우의 누설 전류의 변화들을 위한 안전도 여유를 제공한다. 잉여 누설 전류를 싱크하기 위해 소스(28)를 인에이블하는 것은 보상값을 초과하여 출력 전압의 값이 증가하는 것을 방지하며, 부하(33)에 대한 손상을 방지한다. 잉여 누설 전류를 싱크하기 위해 선택적으로 소스(28)를 인에이블시키는 것은 소스(28)가 출력 전압이 보상 전압의 값을 초과할 때 전류를 싱크하도록 인에이블하며, 따라서, 소스(28)가 항상 인에이블된 상태가 아니기 때문에, 레귤레이터(10)의 정지 전류 소모를 감소시킨다.

비교기(27)는 통상, 선택형 전류 소스(28)가 인에이블와 디스에이블 사이에서 전후 진동하지 않는 것을 보증하기 위해 히스테리시스를 갖도록 형성된다. 바람직한 실시예에서, 비교기(27)는 피드백 전압이 오프셋 기준 전압의 값 보다 갖거나 클 때 비교기(27)가 소스(28)를 인에이블하고, 피드백 전압의 값이 오프셋 기준 전압의 값 보다 20mV 낮을 때 소스(28)를 디스에이블하도록 20mV의 히스테리시스를 갖는다.

일부 실시예들에서, 소스(29)는 생략될 수 있지만, 통상적 상태들하에서도, 출력 전압은 소망의 전압값과 보상 전압값 사이에서 진동할 수 있다는 것을 인지하여야 한다. 그러나, 저항들(22 및 23)의 저항 분할기는 고정된 전류값을 제공하도록 형성될 수 있으며, 고정된 전류 소스(29)는 생략될 수 있다. 다른 실시예들에서, 비교기(27)는 선택적으로 소스(28)가 증폭기의 아날로그 출력 신호에 응답하여 보상 전류를 형성할 수 있게 하는 증폭기로 대체될 수 있다. 부가적으로, 레귤레이터(10)는 또한 과전류 보호 및 온도 보호를 포함하는 다른 널리 알려진 회로 기능들을 포함할 수도 있다. 이런 회로들은 설명의 명료성을 위해 도 1에 도시되어 있지 않다.

일 실시예에서, 레귤레이터(10)는 약 2와 1/2V(2.5V) + 또는 - 2%(±2%)의 통상적인 소망의 동작값을 갖도록 형성되어 약 2.45V 내지 약 2.55V의 소망의 동작 범위를 초래한다. 부하(33)를 손상시키지 않는 전압의 최대값은 약 2.7V이다. 커패시터(34)의 값은 약 1마이크로파라드이다. 트랜지스터(24)의 통상 누설 전류는 섭씨 약 25도(25℃) 및 통상 프로세스 파라미터들에서 약 이(2) ㎂였다. 최악의 경우의 프로세스 파라미터들 및 최악의 경우의 동작 상태들에서, 트랜지스터(24)의 최악의 경우의 누설 전류는 약 십오(15)㎂ 였다. 고정된 전류의 값은 통상 누설 전류 또는 약 2㎂와 같도록 선택되었다. 소스(28)가 트랜지스터(24)의 모든 최악의 경우의 누설 전류를 싱크하는 것을 보증하기 위해 소스(28)가 싱크할 수 있는 전류의 값은 40㎂로 선택되었다. 그러나, 소스(28)에 의해 싱크된 실제 전류는 트랜지스터(24)의 잉여 누설 전류의 실제값이다. 보상 전압값은 약 2.6볼트(2.6V)로 선택되었다. 오프셋 전압의 값은 출력부(13)의 출력 전압의 값이 2.5V의 소망의 동작값 보다 100mV 보다 커지지 않는 것을 보증하기 위해, 100mA였다. 출력부(13)상의 출력 전압이 약 2.5V에 도달하였을 때, 증폭기(26)는 이 값으로 출력 전압을 유지하기 위해 트랜지스터(24)를 디스에이블하였다. 트랜지스터(24)로부터의 누설 전류의 값이 2㎂를 초과하였기 때문에, 커패시터(34)상의 전압의 값은 약 2.6V의 값으로 증가되었고, 비교기(27)는 트랜지스터(24)로부터의 초과 누설 전류를 싱크하기 위해 선택형 전류 소스(28)를 인에이블하였다. 커패시터(34)상의 전압의 값은 2.6V 보다 작은 값으로 느리게 감소되었고, 비교기(27)의 출력은 다시 한번 소스(28)를 디스에이블하였다. 이 실시예 회로의 평가 동안, 트랜지스터(24)가 디스에이블되는 일 시간 주기에, 소스(28)는 약 이(2) ms 동안 디스에이블되었으며, 그 동안 커패시터(34)가 충전하였고, 약 6백오십(650)㎲ 동안 인에이블되고, 그 동안 커패시터(34)는 방전되었으며, 따라서, 소스(28)는 트랜지스터(24)가 디스에이블된 시간의 약 이십오 퍼센트(25%) 인에이블되었다. 본 실시예에서, 레귤레이터(10)의 평균 정지 전류는 약 35 ㎂였고, 이는 종래의 레귤레이터들의 55㎂ 평균 정지 전류 보다 삼십육퍼센트(36%) 작다. 일부 응용들, 예로서, 배터리 동작식 응용들에서, 이 전류 절감은 매우 중요하다.

도 2는 반도체 다이(41)상에 형성된 반도체 장치(40)의 실시예의 일부의 확대 평면도를 개략적으로 예시한다. 레귤레이터(10)는 다이(41) 상에 형성되었다. 또한, 다이(41)는 도면의 간단화를 위해 도 2에는 도시되어 있지 않은 다른 회로들을 포함할 수도 있다.

본 발명을 특정 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였지만, 반도체 기술의 숙련자들은 다수의 대안들 및 변형들을 명백히 알 수 있을 것이다. 예로서, 오프셋 기준 전압은 생성기(16)의 별개의 출력으로서 형성되는 것을 포함하여 다른 방 식으로 형성될 수 있다. 비교기(27)는 비교기 대신 아날로그 증폭기일 수 있다. 부가적으로, 고정된 전류 소스(29)는 생략될 수 있다. 또한, 본 발명은 특정 P-채널 출력 트랜지스터에 관하여 설명되었지만, 본 방법은 다른 MOS 트랜지스터들 및 바이폴라 트랜지스터들, BiCMOS, 금속 반도체 FET들(MESFET), HFET들 및 기타 트랜지스터 구조들에 직접 응용 가능하다.

상기한 모든 것을 감안하면, 신규한 방법 및 장치가 공개되어 있음이 명백하다. 다른 특징들 중에서도, 출력 트랜지스터로부터의 누설 전류가 부하를 손상시킬 수 있는 값까지 전압 레귤레이터의 출력전압을 증가시키는 것을 방지하기 위해 흐르도록 보상 전류를 선택적으로 생성하기 위한 전압 레귤레이터를 형성하는 것이 포함되어 있다. 선택적으로 전류를 흐를 수 있게 하는 것은 레귤레이터의 정지 전류 소모를 감소시킨다.

Claims

전압 레귤레이터를 형성하는 방법에 있어서:

전압 출력 상에 제 1 값을 갖는 출력 전압 및 부하 전류를 제공하기 위해 상기 전압 레귤레이터(10)의 출력 트랜지스터(24)를 형성하는 단계; 및

상기 전압 출력을 통하지 않고 상기 전압 레귤레이터의 상기 출력 트랜지스터(24)를 나와서 선택형 전류 소스를 통해 상기 전압 레귤레이터의 전압 반환부(voltage return)(14)로 흐르는 보상 전류를 선택적으로 생성하도록 상기 전압 레귤레이터(10)의 상기 선택형 전류 소스를 형성하는 단계로서, 상기 전압 레귤레이터는 상기 출력 트랜지스터가 디스에이블된 후 및 상기 전압 레귤레이터의 출력 전압이 상기 제 1 값보다 큰 제 2 값을 초과할 때 상기 보상 전류를 생성하도록 상기 선택형 전류 소스를 선택적으로 인에이블시키도록 구성되는, 상기 선택형 전류 소스 형성 단계를 포함하는, 전압 레귤레이터 형성 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 보상 전류를 선택적으로 생성하기 위해 상기 전압 레귤레이터를 형성하는 단계는, 상기 출력 전압이 상기 제 1 값보다 크고 상기 제 2 값보다 작은 제 3 값으로 감소할 때 상기 보상 전류를 디스에이블시키는 단계를 포함하는, 전압 레귤레이터 형성 방법.
삭제
레귤레이트된 전압을 형성하는 방법에 있어서:

제 1 소망값과 상기 제 1 소망값보다 작은 제 2 소망값 사이의 소망의 동작 범위를 갖는 출력 전압을 생성하는 단계;

상기 출력 전압이 상기 제 1 소망값에 도달할 때 출력 트랜지스터(24)를 디스에이블시키는 단계;

상기 출력 트랜지스터가 디스에이블된 후에 상기 출력 트랜지스터를 나와서 전압 반환부로 흐르는 제 1 보상 전류를 생성하기 위한 제 1 전류 소스를 형성하는 단계; 및

상기 출력 트랜지스터가 디스에이블된 후 및 상기 출력 전압이 상기 제 1 소망값보다 큰 보상값을 초과할 때, 상기 출력 트랜지스터를 나와서 상기 전압 반환부로 흐르는 제 2 보상 전류(28)를 생성하도록 선택형 전류 소스를 선택적으로 인에이블시키는 단계를 포함하는, 레귤레이트된 전압 형성 방법.
전압 레귤레이터에 있어서,

입력 전압을 수신하고, 상기 전압 레귤레이터의 출력상에 출력을 형성하도록 연결된 출력 장치(24);

보상 전류를 형성하도록 상기 출력 장치 및 전압 반환부 사이에 연결된 선택형 전류 소스;

상기 출력 전압을 나타내는 피드백 전압을 형성하도록 연결된 피드백 네트워크(19);

제 1 기준 전압 및 상기 피드백 전압을 수신하고, 이에 응답하여 상기 출력 장치를 구동하도록 연결된 에러 증폭기(26); 및

상기 피드백 전압, 및 상기 제 1 기준 전압보다 큰 제 2 기준 전압을 수신하고, 이에 응답하여, 상기 전압 레귤레이터의 출력을 통하지 않고 상기 선택형 전류 소스를 통해 상기 출력 장치로부터 상기 전압 반환부로 흐르는 상기 보상 전류를 생성하도록 연결된 보상 증폭기(27)를 포함하는, 전압 레귤레이터.