KR101281395B1 - 선형 레귤레이터 제어를 갖는 펄스 주파수 변조 전압레귤레이터 - Google Patents

선형 레귤레이터 제어를 갖는 펄스 주파수 변조 전압레귤레이터 Download PDF

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레이몬드 디. 진
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마이크렐 인코포레이티드
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Abstract

PFM-형 전압 레귤레이터 회로는 펄스 제어 회로에 의해 제어되는 제 1 트랜지스터 및 선형 레귤레이터 회로에 의해 제어되는 제 2 트랜지스터를 사용하여 조절되지 않은 전압을 조절된 출력 전압으로 전환한다. 선형 레귤레이터 회로는 조절된 출력 전압이 소정 최소 목표 전압 레벨로 떨어지는 경우 제 2 트랜지스터를 제어하고, 이로써 조절된 출력 전압을 최소 목표 전압 레벨로 유지한다. 펄스 제어 회로는 제 2 트랜지스터를 통과하는 전류를 검출하고 응답으로 제 1 트랜지스터를 완전히 온 상태로 하는 소정 지속기간을 갖는 펄스 신호를 생성한다. 제 1 트랜지스터를 통하는 전압은 조절된 출력 전압을 최대 목표 전압 레벨로 리프레쉬하는 인덕터 전류의 증가로 전환된다. 펄스 신호가 종료되는 경우, 조절된 출력 전압은 소정 최소 목표 전압 레벨로 떨어지기 시작하고, 사이클은 반복된다.

Description

선형 레귤레이터 제어를 갖는 펄스 주파수 변조 전압 레귤레이터{PULSE FREQUENCY MODULATED VOLTAGE REGULATOR WITH LINEAR REGULATOR CONTROL}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 일반화된 전압 레귤레이터 회로를 나타내는 단순화된 도면,
도 2a, 도 2b, 도 2c 및 도 2d는 도 1의 전압 레귤레이터 회로의 동작 동안 생성되는 신호를 나타내는 시간 도면,
도 3은 본 발명의 특정 실시예에 따른 전압 레귤레이터 회로를 나타내는 단순화된 도면,
도 4는 본 발명의 다른 특정 실시예에 따른 전압 레귤레이터 회로를 나타내는 단순화된 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 전압 레귤레이터 회로 101 : 입력 노드
103 : 출력 노드 105 : 그라운드 노드
107 : 피드백 노드 110 : 전압 제어 회로
111, 121 : 트랜지스터 112 : 노드
113 : 인덕터 117 : 쇼트키 다이오드
119 : 커패시터 120 : 선형 레귤레이터 회로
123 : LDO 제어 회로 130 : PFM 제어 회로
132 : 전류 감지 회로 137 : 펄스 생성기
140 : 피드백 회로
본 발명은 전압 레귤레이터 및, 상세하게는 펄스-주파수-변조(PFM : pulse-frequency-modulated) 스위칭형 전압 레귤레이터에 관한 것이다.
스위칭 레귤레이터 및 선형 레귤레이터는 배터리 전압과 같이 조절되지 않은(unregulated) 전압을 바람직한 값의 조절된(regulated) DC 출력 전압으로 전환하는 잘 알려진 타입의 전압 레귤레이터이다.
LDO(low dropout: 낮은 드롭아웃) 레귤레이터로도 지칭되는 선형 레귤레이터는 제어 회로, 및 조절되지 않은 전원과 출력 단자 사이에 연결되는 선형 스위치(트랜지스터)를 포함한다. 제어 회로는 출력 단자에서 조절된 DC 출력 전압을 피드백 신호를 통해 모니터링하고, 선형 스위치의 게이트 전압을 제어하여, 스위치의 컨덕턴스(conductance)가 바람직한 DC 출력 전압 레벨을 생성하도록 조절된다.
스위칭 레귤레이터는 조절되지 않은 전압과 출력 단자 사이에 직렬로 연결되는 스위치(트랜지스터) 및 인덕터, 필터 커패시터, 및 오실레이터-기반 제어 회로를 포함한다. 오실레이터-기반 제어 회로는 시변 제어 신호를 스위치의 게이트 단자에 제공하고, 이에 의해 스위치가 온되어 조절되지 않은 전압을 짧은 펄스로 인덕터로 전달한다. 이들 펄스는 인덕터가 그 자계에 에너지를 저장하도록 하며, 이것은 조절되지 않은 DC 출력 전압을 생성한다. 필터 커패시터는 펄스 사이에서 조절된 DC 출력 전압을 평활하여 유지하도록 동작한다. 조절된 DC 출력 전압은 오실레이터-기반 제어 회로로 피드백되며, 제어회로는 피드백 전압과 기준 전압을 비교하고, 오실레이터 출력을 제어하여, 스위치 듀티 사이클이 바람직하게 조절된 DC 출력 전압을 생성한다.
일반적으로 스위칭 레귤레이터는 오실레이터 제어의 형태에 의해 펄스 폭 변조(PWM: Pulse Width Modulation) 레귤레이터 또는 펄스 주파수 변조(PFM: Pulse Frequency Modulation) 레귤레이터 중 어느 하나로 분류될 수 있다. PWM 레귤레이터는 고정된 주파수 및 가변 펄스 폭을 갖는 펄스 열(train)을 생성하는 오실레이터 제어 회로를 포함한다. 한편, PFM 레귤레이터는 고정된 펄스 폭 및 가변 펄스 주파수를 생성하는 오실레이터 제어 회로를 사용한다. 어느 쪽이든, 트랜지스터의 듀티 사이클은 조절된 출력 전압이 원하는 전압 레벨을 유지하도록 피드백 전압에 의해 제어된다.
스위칭 레귤레이터는 또한 조절되지 않은 전압을 상향 전환하는지(부스트(boost) 또는 스텝-업(step-up) 구성), 조절되지 않은 전압을 하향 전환하는지(버크(buck) 또는 스텝-다운(step-down) 구성), 또는 조절되지 않은 전압을 반전하는지(버크-부스트 또는 반전 구성) 여부에 의해 분류된다.
스위칭 레귤레이터는 일반적으로 선형 레귤레이터보다 훨씬 효율적인 것으로 간주되나, 일반적으로 동작하는 동안 훨씬 더 시끄럽다. 선형 레귤레이터는 선형 스위치가 항상 부분적으로 온되어 있기 때문에(통전 상태) 매우 매끄러운 출력 전압을 제공하나, 선형 스위치에 걸리는 큰 전압 차 때문에 전력을 낭비한다. 반대로, 스위칭 레귤레이터 트랜지스터는 완전히 온되거나 또는 완전히 오프되는 것 중의 하나이다. 스위칭 레귤레이터가 완전 온 상태, 즉 포화 상태 또는 포화 상태 근처에 있는 경우, 트랜지스터는 높은 효율의 스위치이고, 스위치를 통한 소비 전력은 최소가 된다. 그러나, 부하가 갑자기 증가하는 경우, 증가된 전류 요구에 즉시 맞추는 선형 전압 레귤레이터와 달리, 스위칭형의 레귤레이터는 인덕터를 통한 전류가 시간에 따라 즉시 변할 수 없기 때문에 지연을 겪을 수 있다. 추가로, 스위칭 레귤레이터 주위의 제어 시스템은 인덕터에 적절한 전류를 공급하기 위한 듀티 사이클을 조절하는데 선형 시스템보다 더 긴 시간을 필요로 한다.
따라서 선형 전압 레귤레이터의 원활하고, 빠르게 응답하는 출력 전압과 스위칭형의 전압 레귤레이터의 높은 효율을 결합한 전압 레귤레이터가 요구된다.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 매끈하고, 빠르게 응답하는 출력 전압과 높은 효율을 제공하는 선형 레귤레이터 제어를 갖는 펄스 주파수 변조 전압 레귤레이터를 제공하는 데 있다.
본 발명은 조절된 출력 전압이 소정 최소 목표 전압 레벨로 떨어지는 경우에만 동작되는 선형 레귤레이터 회로, 및 선형 레귤레이터 회로의 동작을 검출하고, 조절된 출력 전압이 최소 목표 전압에 도달하는 시간마다 소정 최대 목표 전압 레벨로 조절된 출력 전압을 리프레쉬하는 펄스 제어 회로를 이용하는 전압 레귤레이터 회로에 관한 것이다. 조절된 출력 전압이 최소 목표 전압 레벨에 도달할 때만 출력 전류를 선형 레귤레이터 회로 내에 흐르게 함으로써, 및 조절된 출력 전압이 펄스 제어 회로에 의해 상승될 때마다 선형 레귤레이터 회로가 자연적으로 그 출력 전류를 제거하도록 설계함으로써, 본 발명의 전압 레귤레이터 회로는 일반적인 선형 레귤레이터의 빠른 전이 특성과 스위칭형 전압 레귤레이터의 고효율 특성을 성공적으로 결합한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전압 레귤레이터 회로는 조절되지 않은 입력 전압과 조절된 출력 전압 사이의 인덕터와 직렬로 연결된 제 1 트랜지스터를 포함하고, 펄스 제어 회로에 의해 제어되며, 선형 레귤레이터 회로는 제 1 트랜지스터 및 인덕터와 평행으로 연결되는 제 2 트랜지스터를 포함한다. 선형 레귤레이터 회로는 연속적으로 온(on)인 선형 제어 전압을 생성하나, 조절된 출력 전압이 소정 최소 목표 전압까지 떨어질 때마다 제 2 트랜지스터의 출력을 조절하도록 동작하는 선형 제어 회로를 또한 포함한다. 선형 제어 전압은 펄스 제어 회로가 제 1 트랜지스터를 동작시킬 때까지 조절된 출력 전압을 소정 최소 목표 전압으로 유지하기 위해 충분한 전류를 제공하도록 제 2 트랜지스터를 제어한다. 추가로, 펄스 제어 회로는 제 2 트랜지스터를 흐르는 전류를 검출하는 센서를 포함하고, 검출된 전류에 응답하여 제 1 트랜지스터로 펄스 신호를 전송한다. 펄스 신호는 소정 지속기간(시간 간격) 동안 제 1 트랜지스터를 완전히 온 상태로 하고, 이로써 조절된 출력 전압을 상승시키는 인덕터 전류의 급격한 상승(ramp)을 유발시킨다. 전압의 증가량은 입력과 출력 전압 사이의 차이(VIN-VOUT), 인덕턴스, 제 1 스위치가 온 상태인 시간, 및 인덕터 전류의 량에 비례한다. 소정 지속기간의 끝에서, 펄스 신호는 소멸되어 제 1 트랜지스터를 오프시킨다. 따라서 커패시터에 저장된 출력 전압은 인가된 부하에 응답하여 떨어지기 시작한다. 출력 전압이 다시 소정 최소 목표 전압 레벨로 떨어지는 경우, 사이클은 반복된다. 이와 같이, 전압 레귤레이터 회로의 효율은 부하 전류가 제 2 트랜지스터를 흐르는 시간이 상대적으로 짧기 때문에 일반적인 선형 레귤레이터에 비해 대폭 증가하며, 따라서 선형 레귤레이터와 연관된 높은 손실을 회피하고, 심지어 "순수한(pure)" 스위칭 전압 레귤레이터와 연관된 효율에 근접한다. 즉, 선형 레귤레이터 회로가 제 1 트랜지스터를 통해 부하 전류를 전도하는 유일한 시간은 제 2 트랜지스터를 흐르는 전류의 검출 및 펄스 신호의 발생과 트랜지스터의 후속 활성화 사이의 지연기간 동안이고, 특히 인가된 부하가 상대적으로 작은 전류를 유입하는 경우에, 상대적으로 적은 양의 동작시간을 만든다. 추가로, 전압 레귤레이터 회로는 선형 전압 회로가 제 2 트랜지스터를 흐르는 전류의 검출 및 펄스 신호의 발생과 제 1 트랜지스터의 후속 활성화 사이의 지연 기간 동안 필요한 부하 전류를 제공하기 때문에 "순수한(pure)" 스위칭형 전압 레귤레이터와 연관된 노이즈 문제를 회피한다.
본 발명의 이들 및 다른 특징들, 측면들 및 장점들은 다음의 상세한 설명, 첨부된 청구의 범위, 및 첨부된 도면에 대해서 더욱 잘 이해될 것이다.
여기에서 사용되는 용어 "연결되는(coupled)", "연결되는(connected)", "스위칭되는(switched)"은 다음과 같이 정의된다. 용어 "연결되는(connected)"은 예컨대, 일반적인 집적 회로 제조 기술에 따라 형성된 금속 라인을 통해, 2개의 회로 구성요소 사이의 직접 연결을 설명하는데 사용된다. 반면, 용어 "연결된(coupled)"은 2개의 회로 구성요소 사이의 직접 연결 또는 간접 연결 중의 어느 하나를 설명하는데 사용된다. 예컨대, 2개의 연결된(coupled) 구성요소는 금속 라인을 통해 직접 연결될 수 있거나, 또는 개재하는(intervening) 회로 구성요소(예컨대, 커패시터, 저항기, 인덕터, 또는 트랜지스터)를 통해 간접적으로 연결될 수 있다. 용어 "스위칭된(switched)"은 큰 게이트-소스 전압(Vgs)을 갖는 트랜지스터를 설명하기 위해 이용되고, 낮은 값 저항으로 표시될 수 있다.
도 1은 입력 노드(101)에서 수신되는 조절되지 않은 입력 전압(VIN)을 출력 노드(103)에 제공되는 조절된 출력 전압(VOUT)으로 전환하는 전압 레귤레이터 회로(100)를 나타내는 단순화된 도면이다. 전압 레귤레이터 회로는 일반적으로 전압 제어 회로(110), 선형 레귤레이터 회로(120), 및 PFM 제어 회로(130)(펄스 제어회로라고도 함)를 포함한다. 일 실시예에서, 전압 레귤레이터 회로(100)는 인가된 부하(저항(RLOAD)으로 표시)로부터 또는 피드백 회로(140)(피드백 저항(R1 및 R2)으로 표시)로부터 분리된 독립된 구성요소(즉, 반도체 "칩" 상에 형성된)이다. 이러한 독립된 실시예에서 그라운드 노드(105) 및 선택적 피드백 노드(107)와 함께, 입력 노드(101) 및 출력 노드(103)는 칩을 수용하는 패키지 구조상에 제공된 장치 핀 또는 다른 단자 구조체에 연결된다. 다른 실시예에서, 전압 레귤레이터 회로(100)는 부하 및 피드백 회로와 함께 단일 칩 상에 제조되는 더 큰 장치(예컨대, 마이크로프로세서)에 포함될 수 있으며, 이 경우 입력 노드(10) 및 출력 노드(103)가 더 큰 회로의 내부 노드를 나타낼 수 있다. 다음의 설명은 집적회로 장치의 이들 더 넓은 분류 중의 어느 하나를 커버하는 것을 의도한다.
전압 제어 회로(110)는 일반적으로, PFM 제어 회로(130)와 연결되어 동작하여 PFM-형 스위칭 레귤레이터와 유사한 방식으로 기능하는(즉, 입력 노드(101)와 인덕터(113) 사이에서 소정 지속기간(duration)을 갖는 주기적 전류를 생성하는) (제 1) 트랜지스터(예컨대, 전계효과 트랜지스터(FET))(111), 인덕터(113), 쇼트키 다이오드(117)(또는 스위치) 및 커패시터(119)를 포함한다. 스위치(111) 및 인덕터(113)는 입력 노드(101)와 출력 노드(103) 사이의 노드(112)를 경유하여 직렬로 연결되고, 트랜지스터(111)의 게이트 단자는 PFM 제어 회로(130)에 의해 이하에서 설명한 방식으로 생성된 펄스 신호(VPFM)를 수신하도록 연결된다(coupled). 스위치(111)의 크기와 펄스 신호(VPFM)의 레벨은, 펄스 신호(VPFM)가 게이트 (제어) 단자에 인가될 때마다 트랜지스터(111)가 스위칭 되고, 이로써 트랜지스터(111)가 펄스 신호(VPFM)가 나타내는 시간(지속기간) 동안 조절되지 않은 입력 전압(VIN)을 노드(112)로 연결시키도록(couple) 설정된다. 그러므로, 인덕터(113)에서 전압 차이(VIN-VOUT)가 나타나고, 인덕터 전류의 급격한 증가(ramp increase)를 초래하여 출력 핀(103) 상의 전압에서 관련된 증가를 생성한다. 출력 노드(103)와 그라운드 노드(105) 사이에 연결된 커패시터(119)는 펄스 신호(VPFM)가 나타나는 동안 인덕터(113)에 의해 제공된 전하를 저장한다.
선형 레귤레이터 회로(120)는 소정 최소 목표 전압 레벨에서 출력 노드(103)을 유지하기 위해 일반적인 선형 레귤레이터와 유사한 방식으로 기능하나, 선형 시스템에서 잘 알려진 바와 같이, 조절된 출력 전압(VOUT)이 소정 최소 목표 전압 레벨 이하인 경우 입력 노드(101)와 출력 노드(103) 사이의 출력 전류(ILDO)만을 전도한다. 선형 레귤레이터 회로(120)는 입력 노드(101)와 출력 노드(103) 사이에(즉, 트랜지스터(111) 및 인덕터(113)에 의해 형성된 전류 경로와 평행인) 각각 연결된 제 1 및 제 2 단자를 갖는 출력 (제 2) 트랜지스터(121), 및 선형 기준 전압(VREF)와 피드백 신호(VFB)를 비교하고, 선형 기준(VLDO) 전압과 피드백 신호(VFB) 사이의 차이에 비례하는 전압 레벨을 갖는 선형 제어 신호(VLDO)를 생성하는 선형(LDO) 제어 회로(123)를 포함한다. 선형 기준 전압(VREF) 및 피드백 신호(VFB)는 실질적으로 일반적인 방법에 따라 생성된다. 그러나, 본 발명의 일 측면에 있어서, 조절된 출력 전압(VOUT)이 소정 최소 목표 전압 레벨 이하인 경우에만 트랜지스터(121)가 전류(ILDO)를 전도하도록, 트랜지스터(121)는 제조되고, 선형 제어 신호(VLDO), 선형 기준 전압 신호(VREF) 및 피드백 신호(VFB)가 생성된다. 즉, 출력 전압(VOUT)이 소정 최소 목표 전압 레벨보다 높은 동안, 선형 레귤레이터 회로(120)는 비전도 상태(non-conductive state)로 트랜지스터(121)를 제어한다. 반대로, 출력 전압(VOUT)이 소정 최소 목표 전압 레벨 이하인 동안, 선형 레귤레이터 회로(120)는 제어한다(즉, 전압 레벨에서 생성되어 트랜지스터(121)를 통해 입력 노드(101)와 출력 노드(103) 사이에서 전류(ILDO)가 흐르도록 트랜지스터(121)를 온 상태로 하는 전압 레벨의 선형 제어 신호(VLDO)가 생성된다). 전압 레귤레이터 회로(120)가 활성화되는 경우(제어 동작 중) 트랜지스터(121)에 의해 출력 노드(103)에 흐르는 전류(ILDO)의 양은 부하 전류와 인덕터(113)의 나머지 전류 사이의 차이와 동일하다.
본 발명의 또 다른 측면에 있어서, PFM 제어 회로(130)는 선형 레귤레이터 회로(120) 내 전류 전도를 검출하고(즉, 0이 아닌(non-zero) 전류(ILDO)가 선형 레귤레이터 회로(120)를 흐르는 경우), 및 선형 레귤레이터 회로(120)가 동작하는 동안 펄스 신호(VPFM)을 생성하는 기능을 한다. 일 실시예에서, PFM 제어 회로(130)는, 실제로 전류(ILDO)(즉, 트랜지스터(121)를 통한 전류)를 감지하고, 전류(ILDO)와 소정 최소 기준 전류(IREF)를 비교하고, 및 전류(ILDO)가 소정 최소 전류(IREF)를 초과하는 경우 펄스 제어 신호(VPC)를 생성하는 전류 감지 회로(132)를 포함한다. 일 실시예에서, 최소 기준 전류(IREF)는 실질적으로 제로 암페어일 수 있음을 유의해야 한다(즉, 임의의 검출된 전류는 펄스 제어 신호(VPC)의 생성을 유발한다). 펄스 제어 신호(VPC)는, 펄스 제어 신호(VPC)에 응답하여 소정 지속기간 동안 펄스 신호(VPFM)를 나타내는 펄스 생성기(137)(예컨대, 원-샷(one-shot) 회로)에 공급된다. 상기에서 언급한 바와 같이, 펄스 신호(VPFM)은 트랜지스터(111)의 게이트 단자에 인가되고, 내부 노드(112)에서의 전압을 본래 조절되지 않은 입력 전압(VIN)까지 증가시키기 위해 트랜지스터(111)를 완전히 온시키는 소정 고정된 지속 기간을 갖는다.
도 2a ~ 도 2d는 전압 레귤레이터(100)의 동작 동안 생성되는 예시적인 신호를 나타내는 타이밍 도면이다. 도 2a는 가정적으로 인가된 부하에 응답하여 출력 노드(103)에서 생성되는 예시적인 조절된 출력 전압(VOUT)을 나타낸다. 도 2b, 도 2c 및 도 2d는 각각 도 2a의 예시적인 조절된 출력 전압과 함께 생성되는 트랜지스터(121)를 통한 전류(ILDO), 펄스 제어 신호(VPC), 및 펄스 신호(VPFM)를 나타낸다. 이들 도면에서, 시간(t0)과 시간(t6) 사이의 시간 간격은 상대적으로 가볍게 인가된 부하에 응답하여 전압 레귤레이터(100)의 동작을 나타내고, 시간(t7)과 시간(t12) 사이의 시간 간격은 상대적으로 무겁게 인가된 부하에 응답하여 전압 레귤레이터(100)의 동작을 나타낸다.
도 2a의 좌측을 참조하면, 출력 노드(103)에서 생성되고 커패시터(119)(도 1)에 의해 저장된 전하는 상대적으로 가볍게 인가된 부하에 의해 시간(t0)와 시간(t1) 사이에서 점차로 소모되고, 따라서 조절된 출력 전압(VOUT)이 소정 최소 목표 전압(VT-MIN)을 향해 점차 감소하게 된다. 상기에서 언급한 바와 같이, 조절된 출력 전압(VOUT)이 소정 최소 목표 전압(VT-MIN)에 도달하는 경우(예컨대, 도 2a의 시간 t1에서), 피드백 신호(VFB)는 선형 기준 전압 신호(VREF) 이하로 떨어져, LDO 제어 회로(123)가 트랜지스터(121)(도 2b에 도시됨)를 통해 전류(ILDO)를 전도하게 한다. 이것에 의해 최소 노이즈가 발생하는 최소 목표 전압(VT-MIN)에서 조절된 출력 전압(VOUT)의 저하가 중단된다. 일반적인 선형 레귤레이터에서 이용되는 알려진 기술을 사용하여, 선형 제어 신호(VLDO)가 트랜지스터(121)를 통하는 전류(ILDO)가 인가된 부하에 의해 흐르는 전류와 동일한 전압 레벨에서 생성되고, 이로써 출력 노드(103)가 최소 목표 전압(VT-MIN) 이하로 떨어지는 것을 방지한다. 전류(ILDO)는 소정 최소 전류(IREF) 이상으로 증가하기 때문에(도 2b의 시간(t1) 직후), 전류 감지 회로(132)는 펄스 제어 신호(VPC)를 나타낸다(도 2c의 시간(t1) 직후). 간단한 스위칭 지연(도 2d의 지연) 이후에, 펄스 제어 신호(VPC)의 나타남에 응답하여, 펄스 생성기(137)는 트랜지스터(111)를 온시키는 펄스 신호(VPFM)(도 2d에서 시간(t2))를 나타낸다. 도 2d의 지연 기간의 길이는 예시적인 목적을 위해 임의로 선택됨을 유의해야 한다. 상기에서 설명한 바와 같이, 입력 전압(VIN)으로의 트랜지스터(111)의 결과적인 이동은 인덕터(113)에 의한 인덕터 전류의 증가로 전환되고 출력 노드(103)를 끌어올려(pullup), 조절된 출력 전압(VOUT)을 상기 최소 목표 전압(VT-MIN) 이상으로 증가시킨다(도 2a의 시간(t2)). 출력 전압의 최소 목표 전압(VT-MIN) 이상으로의 증가는, 선형 제어 하에서 전류(ILDO)를 소정 최소 전류(IREF) 이하로 떨어지게 하는(도 2b의 시간(t2) 직후) LDO 제어 회로(123)에 의해 검출된다. 펄스 제어 신호(VPC)의 발현은 비교기가 최소 임계치를 초과하는 순간(도 2c의 시간(t2) 직후)에 에지-트리거된다. 도 2d를 다시 참조하면, 펄스 신호(VPFM)는 소정 지속기간(D) 동안 발현 상태로 있으며, 이것은 본 실시예에서 조절된 출력 전압(VOUT)을 최소 목표 전압 레벨(VT-MAX)로 유지한다. 시간(t3)에서, 펄스신호(VPFM)는 사라지고, 조절된 출력 전압(VOUT)은 다시 그 최고 레벨로부터 기울어지기 시작한다.
일반적인 PFM-형태 스위칭 레귤레이터와 유사하게, 고정된-지속기간 필스 신호(VPFM)가 생성되는 주파수는 인가된 부하에 의해 결정된다. 개시된 실시예에서, 상대적으로 가볍게 인가된 부하는 조절된 출력 전압(VOUT)이 시간(도 2a의 시간(t4))에서 최소 목표 전압(VT-MIN)으로 떨어지게 하고, 그래서 전류(ILDO)가 트랜지스터(121)를 통해 다시 흐르게 하며(도 2b의 시간(t4)), 펄스 제어 신호(VPC)를 다시 나타내며(도 2c의 시간(t4) 직후), 이것은 다음에 펄스 제어 신호(VPC)를 다시 나타낸다(도 2d의 시간(t5)). 따라서, 상대적으로 가벼운 부하에 응답하여, 펄스 신호(VPFM)는 상대적으로 낮은 주파수(f1)에서 나타난다(도 2d에 도시됨). 반대로, 도 2a ~ 도 2d의 우측에 나타난 바와 같이, 상대적으로 무거운 부하는 조절된 출력 전압(VOUT)이 (예컨대, 도 2b의 시간(t7)과 시간(t8) 사이 및 시간(t10)과 시간(t11) 사이에서) 상대적으로 빠른 속도로 최소 목표 전압(VT-MIN)으로 떨어지게 하고, 이것은 상기에서 설명한 방식으로 트랜지스터(121)를 흐르는 전류(ILDO)(도 2b) 및 펄스 제어 신호(VPC)(도 2c)를 생성하며, 이로써 상대적으로 높은 주파수(f2)(도 2d에 도시된 것과 같이, 발생 시간(t9) 및 시간(t12) 사이에서 측정됨)에서 펄스 신호(VPFM)가 나타나게 한다. 또한, 조절된 출력 전압(VOUT)을 더 빠른 속도로 하강시키는 것에 더해서, 무겁게 인가된 부하는 트랜지스터(121)(도 2b)를 통해 상대적으로 높은 전류(ILDO)를 유입한다. 선형 레귤레이터 회로(120)는 일반적인 선형 전압 레귤레이터 방법을 이용하여 부하 요구에 맞추기 위해 전류(ILDO)를 조절한다.
상기 실시예에서 나타난 바와 같이, 전압 레귤레이터 회로(100)의 효율은 부하 전류가 선형 레귤레이터(120)를 통과하는 상대적으로 짧은 양의 시간 때문에 선형 레귤레이터보다 크게 증가되고, 따라서 선형 레귤레이터와 연관된 높은 손실을 최소화하고, 심지어 "순수한(pure)" 스위칭 전압 레귤레이터와 관련된 효율에 접근한다. 즉, 선형 레귤레이터 회로(120)가 트랜지스터(121)를 흐르는 부하 전류를 전도하는 시간은 오직 전류(ILDO)의 검출 및 펄스 신호(VPFM)의 나타남과 트랜지스터(111)의 다음 활성화 사이의 지연기간 동안이며, 이것은 도 2a에 나타난 바와 같이 특히 부하가 가벼운 경우에 상대적으로 적은 양의 동작시간을 만든다.
추가로, 상기 실시예에 도시된 바와 같이, 전압 레귤레이터 회로(100)는, 선형 전압 회로(120)가 전류(ILDO)의 검출 및 펄스 신호(VPFM)의 나타남과 트랜지스터(111)의 다음 활성화 사이의 지연 기간 동안 필요한 부하 전류를 제공한다는 점에서, "순수한(pure)" 스위칭 형태 전압 레귤레이터와 연관된 낮은 전압 노이즈 문제를 피한다.
도 3은 본 발명의 특정 실시예에 따른 전압 레귤레이터 회로(200)를 나타내는 단순화된 도면이다. 전압 레귤레이터 회로(100)의 부분들과 유사한 전압 레귤레이터 회로(200)의 부분들은 같은 참조 부호로 일치된다(예컨대, 전압 레귤레이터 회로(100)의 트랜지스터(121)는 전압 레귤레이터 회로(200)에서 PMOS 트랜지스터(221)에 의해 나타난다).
전압 레귤레이터 회로(200)의 전압 제어부는 쇼트키 다이오드(117) 대신에 PMOS 트랜지스터(211) 및 정류기 회로(217)의 사용에 의해 특징된다. PMOS 트랜지스터(211)는 낮은 온-저항(on-resistance) 때문에 바람직한 트랜지스터이다. 정류기 회로(217)는 동기식 동작을 가능하게 하도록 제공된다. 즉, 전압 레귤레이터(100)는 비동기식 구성으로 나타난다. 동기식 구성은 PFM 제어 회로(230)에 의해 생성된 선택적인 동기식 동작 제어 신호(VSYNCH)를 사용하여 제어되는 정류기 회로(217)에 NMOS 트랜지스터(도시 안됨)를 제공함으로써 알려진 기술에 따라 실행된다. 동작 동안, 원-샷 회로 및 PFM 제어 회로(230)의 타임-아웃 기간이 PMOS 트랜지스터(211)를 차단한 후, 쇼트키 다이오드(117)를 순환하는 결과적인 전류 대신에, 알려진 기술에 따라 PFM 제어 회로(230)에 의해 활성화되는 NMOS 트랜지스터를 통해 전류가 순환된다.
선형 레귤레이터 회로(220)는 또한 PMOS 트랜지스터(221)의 사용에 의해 특징되고, 비교기(223)는 상기에서 설명한 방법에 따라 선형 제어 신호(VLDO)를 생성하는데 이용된다.
PFM 제어 회로(230)는 실질적으로 상기에서 설명한 것과 같이 동작하는 전류 감지 회로(232) 및 펄스 생성기(237)를 포함한다. 전류 감지 회로(232)는 저항성 센서(233), 전류 비교기(234), 및 (제 3) PMOS 트랜지스터(235)를 포함한다. PMOS 트랜지스터(235)는 입력 노드(201)와 출력 노드(203) 사이의 PMOS 트랜지스터(221)와 평행으로 연결되고, 선형 제어 신호(VLDO)에 의해 제어된다. 선형 제어 신호(VLDO)가 생성되어 PMOS 트랜지스터(221 및 235)를 통해 전류(ILDO)를 생성하는 경우 저항성 센서(233)는 전류 검출 신호(VI-LDO)를 생성한다. 비교기(234)는 전류 검출 신호(VI-LDO)와 소정 기준 신호(VI--REF)를 비교하고, 전류 검출 신호(VI-LDO)가 소정 기준 신호(VI-LDO)가 소정 기준 신호(VI--REF) 보다 큰 경우 펄스 제어 신호(VPC)를 생성한다. 펄스 제어 신호(VPC)는, 펄스 제어 신호(VPC)에 응답하여 미리 설정된 시간 간격(소정 지속기간) 동안 펄스 신호(VPFM)을 생성하는 펄스 생성기(237)에 제공된 원-샷 회로(238)에 인가된다.
상기 실시예는 비동기식 구성을 나타낸다. 또 다른 실시예에서는, 다이오드 회로(217)가 PFM 제어 회로(230)에 의해 제어되는 NMOS 트랜지스터(도시되지 않음)를 포함하는 알려진 기술에 따라 동기식 구성이 구현된다. 원-샷 회로 및 PFM 제어 회로(230)의 타임-아웃 기간 후, 쇼트키 다이오드(117)를 통해 순환하는 생성된 전류 대신에, 알려진 기술에 따라 PFM 제어 회로(230)에 의해 작동되는 NMOS 트랜지스터를 통해 전류가 순환된다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전압 레귤레이터 회로(300)를 나타내는 단순화된 도면이다. 전압 레귤레이터 회로(200)와 일치하는 전압 레귤레이터 회로(300)의 부분들은 동일한 참조 부호로 식별된다. 전압 레귤레이터 회로(300)는, 그것이 펄스 폭 변조(PWM) 제어 회로(360) 및 펄스 신호 선택 회로(370)를 포함한다는 점에서, 전압 레귤레이터 회로(200)와 다르다. PWM 제어 회로(360)는 알려진 기술에 따라 펄스 폭 변조 제어 신호(VPWM)를 생성하고, 펄스 신호 선택 회로(370)는 인가된 부하("인가된 부하 조건")의 전류 수요를 판정하고, 인가된 부하 조건에 응답하여 PWM 제어 신호(VPWM) 및 펄스 신호(VPFM) 중의 하나를 트랜지스터(211)의 게이트 단자로 선택적으로 전달한다. 일 실시예에서, 펄스 신호(VPFM)는 전류 부하가 100mA 이하인 경우 펄스 신호 선택 회로(370)에 의해 트랜지스터(211)로 전송되고, PWM 제어 신호(VPWM)는 전류 부하가 100mA보다 큰 경우 펄스 신호 선택 회로(370)에 의해 트랜지스터(211)로 전송된다.
본 발명은 임의의 특정 실시예에 관하여 설명되었지만, 본 발명의 특징이 모든 것이 본 발명의 기술적 사상 내에 있는 다른 실시예에 또한 적용가능한 것은 기술 분야의 통상의 지식인에게 자명할 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 매끈하고, 빠르게 응답하는 출력 전압과 높은 효율을 제공하는 효과가 있다.

Claims (20)

  1. 입력 노드에서 수신되는 조절되지 않은 입력 전압을 출력 노드에서 제공되는 조절된 출력 전압으로 전환하는 전압 레귤레이터 회로에 있어서,
    상기 입력 노드에 연결되는 제 1 단자를 갖는 제 1 트랜지스터와,
    상기 제 1 트랜지스터의 제 2 단자와 상기 출력 노드 사이에 연결되는 인덕터와,
    상기 입력 노드와 상기 출력 노드 사이의 상기 인덕터 및 상기 제 1 트랜지스터와 병렬로 연결되는 선형 레귤레이터 회로로서, 상기 출력 노드에서 제공된 상기 조절된 출력 전압이 소정 최소 목표 전압 레벨 이하로 떨어질 때, 상기 입력 노드로부터 상기 출력 노드로 제 1 전류를 통과시켜, 상기 제 1 전류가 상기 출력 노드를 상기 최소 목표 전압 레벨로 유지하도록 하는 수단을 구비하는 선형 레귤레이터 회로와,
    상기 선형 레귤레이터 회로를 통해 상기 제 1 전류를 검출하는 수단 및 상기 검출된 제 1 전류에 응답하여 소정 지속기간을 갖는 펄스 신호를 상기 제 1 트랜지스터의 게이트 단자로 전송하는 수단을 구비하는 펄스 제어 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 레귤레이터 회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 선형 레귤레이터 회로는,
    상기 입력 노드에 연결되는 제 1 단자, 상기 출력 노드에 연결되는 제 2 단자, 및 게이트 단자를 갖는 제 2 트랜지스터와,
    선형 기준 전압과 피드백 신호를 비교하고, 및 상기 선형 기준 전압과 상기 피드백 신호 사이의 차이에 비례하는 전압 레벨을 갖는 선형 제어 신호를 생성하는 수단을 포함하고,
    상기 선형 제어 신호는 상기 제 2 트랜지스터의 상기 게이트 단자에 인가되고, 상기 제 2 트랜지스터의 컨덕턴스(conductance)는 상기 선형 제어신호에 응답하여 제어되어 상기 제 2 트랜지스터에 의해 통과되는 상기 제 1 전류는 상기 선형 제어 신호에 비례하는 것을 특징으로 하는 전압 레귤레이터 회로.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 트랜지스터는 상기 제 2 트랜지스터가 상기 선형 제어 신호에 응답하여 포화된 동작 상태에서 동작하도록 크기가 조절된 PMOS 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 레귤레이터 회로.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 펄스 제어 회로는,
    상기 선형 레귤레이터 회로를 통과하는 상기 제 1 전류가 소정 최소 전류를 초과하는 경우 펄스 제어 신호를 나타내는 전류 감지 회로와,
    상기 펄스 제어 신호에 응답하여 상기 펄스 신호를 생성하는 펄스 생성 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 레귤레이터 회로.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 전류 감지 회로는,
    상기 선형 레귤레이터 회로를 통과하는 상기 제 1 전류에 응답하여 전류 검출 신호를 생성하는 센서와,
    상기 전류 검출 신호와 소정 기준 신호를 비교하고, 및 상기 전류 검출 신호가 상기 소정 기준 신호보다 큰 경우 상기 펄스 제어 신호를 생성하는 비교기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 레귤레이터 회로.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 전류 감지 회로는 상기 입력 노드와 연결되는 제 1 단자, 상기 출력 노드와 연결되는 제 2 단자, 및 상기 선형 레귤레이터 회로와 연결되는 게이트 단자를 갖는 제 3 트랜지스터를 추가로 포함하고,
    상기 센서는 상기 제 3 트랜지스터의 상기 제 1 단자에 연결되는 것을 특징으로 하는 전압 레귤레이터 회로.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 펄스 생성 회로는 원-샷(one-shot) 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 레귤레이터 회로.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 트랜지스터는 전계 효과(field-effect) 트랜지스터를 포함하고,
    상기 펄스 제어 회로는 충분한 레벨에서 상기 펄스 신호를 생성하여 상기 제 1 트랜지스터가 상기 소정 지속기간 동안 상기 펄스 신호에 응답하여 스위칭되게 하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 레귤레이터 회로.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 전계 효과 트랜지스터는 PMOS 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 레귤레이터 회로.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 출력 노드와 그라운드 단자 사이에 연결되는 다이오드를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 레귤레이터 회로.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 출력 노드와 그라운드 단자 사이에서 연결되는 커패시터를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 레귤레이터 회로.
  12. 제 1 항에 있어서,
    펄스 폭 변조(PWM : pulse-width modulate) 제어 신호를 생성하는 수단, 및
    상기 PWM 제어 신호 및 상기 펄스 신호 중의 하나를, 인가되는 부하 조건에 응답하여 상기 제 1 트랜지스터의 상기 게이트 단자에 선택적으로 인가하는 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 레귤레이터 회로.
  13. 입력 노드에서 수신되는 조절되지 않은 입력 전압을 출력 노드에서 제공되는 조절된 출력 전압으로 전환하여 상기 조절된 출력 전압을 소정 최소 목표 전압 레벨에서 유지되도록 하는 전압 레귤레이터 회로에 있어서,
    상기 입력 노드에 연결되는 제 1 단자를 갖는 제 1 트랜지스터와,
    상기 제 1 트랜지스터의 제 2 단자와 상기 출력 노드 사이에 연결되는 인덕터와,
    상기 입력 노드에 연결되는 제 1 단자, 및 상기 출력 노드에 연결되는 제 2 단자를 갖는 제 2 트랜지스터와,
    상기 조절된 출력 전압이 상기 소정 최소 목표 전압 레벨 이하가 되어, 상기 입력 노드와 출력 노드 사이의 제 1 전류가 상기 출력 노드를 상기 최소 목표 전압 레벨에서 유지시키는 경우, 상기 제 2 트랜지스터가 상기 제 1 전류를 전도하도록 상기 제 2 트랜지스터를 제어하는 선형 제어 수단과,
    상기 선형 제어 수단이 상기 제 2 트랜지스터로 하여금 상기 제 1 전류를 전도하게 하여 상기 출력 노드에 제공된 상기 조절된 출력 전압이 상기 입력 노드와 상기 인덕터 사이의 제 2 전류에 의해 상기 최소 목표 전압 레벨 위로 승압되는 경우, 상기 제 1 트랜지스터가 제 2 전류를 전도하도록 제어하는 펄스 제어 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 레귤레이터 회로.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 펄스 제어 수단은,
    상기 제 2 트랜지스터를 통한 상기 제 1 전류가 소정 최소 전류를 초과하는 경우 펄스 제어 신호를 나타내는 전류 감지 수단과,
    상기 펄스 제어 신호에 응답하여 펄스 신호를 생성하는 펄스 생성 수단을
    포함하고,
    상기 펄스 생성 수단은 상기 제 1 트랜지스터의 게이트 단자와 연결되는 것을 특징으로 하는 전압 레귤레이터 회로.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 전류 감지 수단은,
    상기 제 2 트랜지스터를 통하는 상기 제 1 전류에 응답하여 전류 검출 신호를 생성하는 센서와,
    상기 전류 검출 신호가 소정 기준 신호보다 큰 경우 상기 펄스 제어 신호를 생성하는 수단을
    포함하는 것을 특징으로 하는 전압 레귤레이터 회로.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 전류 감지 수단은 상기 입력 노드와 연결되는 제 1 단자, 상기 출력 노드와 연결되는 제 2 단자, 및 상기 제 2 트랜지스터의 상기 게이트 단자와 연결되는 게이트 단자를 갖는 제 3 트랜지스터를 추가로 포함하고,
    상기 센서는 상기 제 3 트랜지스터의 상기 제 1 단자에 연결되는 것을 특징으로 하는 전압 레귤레이터 회로.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 1, 제 2 및 제 3 트랜지스터는 PMOS 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 레귤레이터 회로.
  18. 제 14 항에 있어서,
    펄스폭 변조(PWM) 제어 신호를 생성하는 수단, 및 상기 PWM 제어 신호 및 상기 펄스 신호 중의 하나를, 인가되는 부하 조건에 응답하여 상기 제 1 트랜지스터의 상기 게이트 단자에 선택적으로 인가하는 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 레귤레이터 회로.
  19. 제 13 항에 있어서,
    상기 출력 노드와 그라운드 단자 사이에 연결되는 커패시터를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 레귤레이터 회로.
  20. 입력 노드에서 수신되는 조절되지 않은 입력 전압을 출력 노드에서 제공되는 조절된 출력 전압으로 전환하여 상기 조절된 출력 전압이 소정 최소 목표 전압 레벨에서 유지되도록 하는 전압 레귤레이터 회로에 있어서,
    상기 입력 노드와 상기 출력 노드 사이에 연결되는 인덕터와,
    상기 조절된 출력 전압이 상기 소정 최소 목표 전압 레벨 이하가 되어 상기 입력 노드와 상기 출력 노드 사이의 제 1 전류가 상기 출력 노드를 상기 최소 목표 전압 레벨에서 유지시키는 경우에만 상기 제 1 전류를 선택적으로 생성하는, 상기 인덕터와 평행으로 배열되는 선형 레귤레이터 수단과,
    상기 선형 레귤레이터 수단이 상기 제 1 전류를 생성하여 상기 출력 노드에 제공된 상기 조절된 출력 전압이 상기 입력 노드와 상기 인덕터 사이의 제 2 전류에 의해 상기 최소 목표 전압 레벨 위로 승압되는 경우, 소정 지속기간 동안 상기 제 2 전류를 생성하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 레귤레이터 회로.
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