KR101818313B1 - 이단 저전압 강하 선형 전력 공급 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 양태는 저전압 강하 (LDO) 선형 전력 공급 시스템을 포함한다. 시스템은 입력 전압에 기초하여 출력에서?? 출력 전압을 생성하도록 구성된 패스 요소를 포함하는 것이 바람직하다. 시스템은 또한 보상 증폭단의 출력에 결합되고, 주파수 보상을 제공하며, 출력 전압의 원하는 주파수 응답을 제공하도록 구성된 포함한다. 시스템은 보상 증폭단과 패스 요소와, 입력 전압의 주어진 범위 내에서 입력 전압에 거의 비례하는 출력 전압을 생성하기 위해 스케일링 DC 이득을 제공하도록 구성된 상호 이득 증폭단을 포함한다.

Description

이단 저전압 강하 선형 전력 공급 시스템 및 방법{TWO-STAGE LOW-DROPOUT LINEAR POWER SUPPLY SYSTEMS AND METHODS}
본 출원은 2012년 10월 2일에 출원된 미국 출원 제13/633568호로부터의 우선권을 주장하며, 이의 발명 대상(subject matter)은 본 명세서에서 전적으로 참조로 통합된다.
본 발명은 일반적으로 전자 회로에 관한 것으로서, 특히 이단 저전압 강하 선형 전력 공급 시스템 및 방법에 관한 것이다.
증가된 효율로 동작시키기 위해 전력 변환 및 레귤레이션 회로에 대한 수요는 계속 증가하고 있다. 이러한 타입의 레귤레이터 회로 중 하나는 저전압 강하 (LDO) 선형 전력 공급 장치(선형 레귤레이터)로서 알려져 있다. LDO 선형 전력 공급 장치는 입력 전압과 출력 전압 사이의 매우 작은 차이로 동작할 수 있는 DC/DC 선형 전압 레귤레이터로 특징지어질 수 있다. LDO 전력 공급 장치는 LDO 선형 전력 공급 장치가 통상적으로 낮은 최소 동작 전압으로 동작할 수 있고, 통상적으로 더 높은 효율의 동작 및 더 낮은 방열을 가질 수 있다는 점에서 통상적인 선형 전력 공급 장치에 비해 많은 이점을 보여줄 수 있다. LDO 설계를 위한 일반적인 과제는 광범위한 부하 및 출력 커패시턴스 값을 통해 저전압 강하 및 안정성을 보장하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 양태는 저전압 강하(LDO) 선형 전력 공급 시스템을 포함한다. 시스템은 입력 전압에 기초하여 출력에서 출력 전압을 생성하도록 구성된 패스 요소(pass-element)를 포함한다. 시스템은 또한 출력에 결합되고, 주파수 보상을 제공하고 출력 전압의 원하는 주파수 응답을 제공하도록 구성된 보상 증폭단을 포함한다. 시스템은 보상 증폭단 및 패스 요소를 상호 접속하고, 입력 전압의 주어진 범위 내에서 입력 전압에 실질적으로 비례하는 출력 전압을 생성하기 위해 스케일링한 DC 이득을 제공하도록 구성된 이득 증폭단을 포함한다.
본 발명의 다른 실시예는 LDO 선형 전력 공급 시스템을 포함한다. 시스템은 입력 전압에 기초하여 출력에서 출력 전압을 생성하도록 구성된 패스 요소를 포함한다. 시스템은 또한 출력에 결합되고, 주파수 보상을 제공하고 출력 전압의 원하는 주파수 응답을 제공하도록 구성된 보상 증폭단을 포함한다. 시스템은 또한 보상 증폭단 및 패스 요소를 상호 접속하고, 입력 전압의 주어진 범위 내에서 입력 전압에 실질적으로 비례하는 출력 전압을 생성하기 위해 스케일링한 DC 이득을 제공하도록 구성된 이득 증폭단을 포함한다. 시스템은 커패시터와, 출력 전압의 출력 필터링을 제공하기 위해 출력에 결합되는 관련된 등가 직렬 저항(ESR)을 더 포함한다.
본 발명의 다른 실시예는 LDO 선형 전력 공급 시스템을 포함하는 집적 회로(IC) 칩을 포함한다. 시스템은 입력 전압에 기초하여 출력에서 출력 전압을 생성하도록 구성된 패스 요소를 포함한다. 시스템은 또한 출력에 결합되고, 출력 전압 및 기준 전압과 관련된 피드백 전압에 응답하여 안정화 전압을 생성하도록 구성된 보상 연산 증폭기(OP-AMP)를 포함하는 보상 증폭단을 포함한다. 보상 증폭단은 주파수 보상을 제공하며, 출력 전압의 원하는 주파수 응답을 제공하도록 구성될 수 있다. 시스템은 또한 보상 증폭단과 패스 요소를 상호 연결하며, 제 1 입력에서 안정화 전압을 수신하고 출력에서 제어 전압을 생성하도록 구성된 이득 OP-AMP를 포함하는 이득 증폭단을 포함한다. 제어 전압은 제어 입력에서 패스 요소를 제어하기 위해 제공될 수 있고, 이득 증폭단은 입력 전압에 실질적으로 비례하는 출력 전압을 생성하기 위해 스케일링한 DC 이득을 제공하도록 구성된다. 시스템은 출력 전압의 출력 필터링을 제공하기 위해 IC 외부의 출력에 결합되는 커패시터 및 관련된 등가 직렬 저항(ESR)을 수용하도록 구성된 단자를 더 포함한다.
도 1은 본 발명의 양태에 따른 저전압 강하(LDO) 선형 전력 공급 시스템의 일례를 도시한다.
도 2는 본 발명의 양태에 따른 LDO 선형 전력 공급 회로의 일례를 도시한다.
도 3은 본 발명의 양태에 따른 LDO 선형 전력 공급 회로의 다른 예를 도시한다.
본 발명은 일반적으로 전자 회로에 관한 것으로서, 특히 이단 저전압 강하(LDO) 선형 전력 공급 시스템 및 방법에 관한 것이다. LDO 선형 전력 공급 시스템은 입력 전압에 기초하여 LDO 선형 전력 공급 시스템의 출력에서 출력 전압을 생성하도록 구성되는 패스 요소를 포함한다. 출력 전압은 출력 전압이 패스 요소의 포화를 기반으로 거의 일정할 수 있는 입력 전압의 주어진 범위 내에서 입력 전압에 실질적으로 비례할 수 있다. 일례로서, 패스 요소는, 일반적인 프레임워크 내에서, N 채널 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET), P 채널 MOSFET, NPN 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT), PNP BJT, 또는 트랜지스터(예를 들어, NPN 또는 PNP BJT)의 달링턴(Darlington) 쌍으로서 구성될 수 있다.
LDO 선형 전력 공급 시스템은 또한 LDO 선형 전력 공급 시스템의 출력에 결합되는 보상 증폭단으로서 구성되는 제 1 증폭단을 포함한다. 예로서, 보상 증폭단은 반전 연산 증폭기(OP-AMP) 및 복수의 저항성-용량성(RC) 네트워크를 포함한다. 반전 OP-AMP는 출력 전압 및 기준 전압과 관련된 피드백 전압에 기초하여 안정화 전압을 생성하도록 구성된다. RC 네트워크는 이러한 출력과 보상 OP-AMP의 제 1 입력 사이에 결합된 RC 피드-포워드 네트워크, 및 이러한 제 1 입력과 보상 OP-AMP의 출력 사이에 결합된 RC 피드백 네트워크를 포함할 수 있다. RC 피드-포워드 및 피드백 네트워크는 출력 전압의 주파수 응답에 영향을 줄 수 있고, 단계적 부하(step load)를 가진 안정화 전압의 실질적으로 빠른 과도 응답에 제공하도록 협력할 수 있다.
LDO 선형 전력 공급 시스템은 또한 패스 요소와 보상 증폭단을 상호 연결하는 이득 증폭단으로 구성된 제 2 증폭단을 포함한다. 따라서, 이득 증폭단은 반전 OP-AMP로부터 출력된 안정화 전압으로부터 패스 요소를 버퍼링하도록 동작한다. 예를 들면, 이득 증폭단은 안정화 전압을 수신하고, 안정화 전압에 비례하는 크기를 갖는 제어 전압을 생성하도록 구성된 이득 OP-AMP를 포함한다. 제어 전압은 선형 모드 및 포화 모드 중 하나로 패스 요소를 동작시키기 위해 패스 요소의 제어 입력에 제공되며, 따라서 출력 전압이 입력 전압의 소정의 범위를 통해 입력 전압에 실질적으로 비례하도록 허용한다.
도 1은 본 발명의 양태에 따른 저전압 강하(LDO) 선형 전력 공급 시스템(10)의 일례를 도시한다. LDO 선형 전력 공급 시스템(10)은 입력 전압 VIN의 소정의 범위를 통해 입력 전압 VIN에 실질적으로 비례하는 크기를 가진 출력 전압 VOUT을 생성하도록 구성된다. 예로서, 임계 크기보다 큰 크기로 증가하는 입력 전압 VIN에 응답하여, 출력 전압 VOUT은 거의 일정한 최대 크기로 제공될 수 있다. 본 명세서에서 보다 상세히 기술되어 있는 바와 같이, LDO 선형 전력 공급 시스템(10)은 출력 전압 VOUT이 입력 전압 VIN에 기초하여 실질적으로 안정한 크기로 제공되어야 하는 다양한 응용 중 어느 하나에서 구현될 수 있다.
LDO 선형 전력 공급 시스템(10)은 집적 회로(IC) 칩 내에 배치될 수 있는 LDO 선형 전력 공급 장치(12)를 포함한다. LDO 선형 전력 공급 장치(12)는 트랜지스터로서 구성될 수 있는 패스 요소(14)를 포함한다. 패스 요소(14)는 입력 전압 VIN과 출력(16)에서의 출력 전압 VOUT을 상호 연결한다. 예를 들면, 패스 요소(14)는 N 채널 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET), P 채널 MOSFET, NPN 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT), PNP BJT, 또는 트랜지스터(예를 들어, NPN 또는 PNP BJT)의 달링턴 쌍으로서 구성될 수 있다. 예로서, 패스 요소(14)는 P 채널 MOSFET, PNP BJT, 또는 음의 전압으로서 출력 전압 VOUT을 제공하기 위해 PNP BJT의 세트를 포함하는 달링턴 쌍으로서 구현될 수 있다.
LDO 선형 전력 공급 장치(12)는 또한 출력(16)에 결합되는 보상 증폭단(18)을 포함한다. 보상 증폭단(18)은 출력(16)에서 출력 전압 VOUT과 관련되는 안정화 전압 VSTA을 생성하도록 구성된다. 예로서, 보상 증폭단(18)은 기준 전압 VREF과 출력 전압 VOUT과 관련되는 피드백 전압에 기초하여 출력에서 안정화 전압 VSTA을 생성하도록 구성되는 보상 연산 증폭기(OP-AMP)를 포함한다. 게다가, 보상 증폭단(18)은 안정화 전압 VSTA의 주파수 응답에 영향을 주고, 따라서 출력 전압 VOUT에 영향을 주어, 실질적으로 안정화 전압 VSTA의 빠른 과도 응답을 제공하도록 협력하는 복수의 저항성-용량성(RC) 네트워크(20)를 포함한다.
안정화 전압 VSTA은 패스 요소(14) 및 보상 증폭단(18)을 상호 연결하는 이득 증폭단(22)에 제공된다. 이득 증폭단(22)은 패스 요소(14)가 입력 전압 VIN의 크기의 소정 범위를 통해 선형 영역에서 동작될 수 있도록 패스 요소(14)의 제어 입력에 제공되는 제어 전압 VCTRL을 생성하기 위해 구성된다. 예로서, 이득 증폭단(22)은 안정화 전압 VSTA에 기초하여 제어 전압 VCTRL을 생성하는 이득 OP-AMP를 포함한다. 예를 들면, 제어 전압 VCTRL은 실질적으로 안정화 전압 VSTA에 비례할 수 있다. 따라서, 제어 전압 VCTRL은 단계적 부하를 가진 안정화 전압 VSTA과 실질적으로 동일한 주파수 응답 및 실질적으로 빠른 과도 응답을 나타낼 수 있다.
LDO 선형 전력 공급 장치(12)는 접촉 단자, 리드, 솔더 패드, 또는 다양한 다른 외부 전기적 연결점과 같은 단자(24)를 더 포함한다. 도 1의 예에서, 단자(24)는 기준 전압 VREF과 입력 전압 VIN을 수신하고, 출력 전압 VOUT과, 도 1의 예에서 접지로서 보여준 저전압 레일에 대한 연결부를 제공하도록 구성된다. 출력 전압 VOUT과 접지에 대한 연결부를 제공하는 단자(24)는 또한 출력 커패시터 COUT와, (예를 들어, IC 패키지의 외부의) LDO 선형 전력 공급 장치(12)에 연결된 등가 직렬 저항(ESR)을 수신하도록 구성될 수 있다. 예로서, ESR은 출력 커패시터 COUT와 관련된 기생 저항에 대응할 수 있다.
이단 증폭 시스템으로서 LDO 선형 전력 공급 시스템(10)을 구현함으로써, LDO 선형 전력 공급 시스템(10)은 통상적인 LDO 선형 전력 공급 시스템에 비해 비교적 간단한 설계를 갖지만 능력을 개선한 회로로서 구현될 수 있다. 일례로서, 통상적인 LDO 선형 전력 공급 시스템은 외부 커패시터와 외부 저항의 연결에 의해 제공된 ESR을 통해 출력 전압 필터링 및 주파수 보상(즉, 루프 형상) 모두를 이용한다. 각각의 출력 커패시터의 제로가 루프 안정성을 위해 구현되지만, 각각의 출력 커패시터를 포함하는 ESR가 출력 필터링을 위해 구현되도록 LDO 선형 전력 공급 시스템을 위한 출력 전압 필터링 및 주파수 보상의 이러한 요건은 서로 충돌할 수 있다. 이러한 요건 충돌은 ESR의 함수로서 출력 전류에 대한 안정성이 매우 좁은 영역에서 발생할 수 있으며, 따라서 통상적으로 "죽음의 터널(Tunnel of Death)"로 알려진 안정성 영역을 생성하며, 이러한 영역의 밖에서, LDO 선형 전력 공급 시스템(10)의 안정성은 손상된다. LDO 선형 전력 공급 시스템(10)은 출력 필터링 및 주파수 보상의 함수를 분리함으로써 좁은 "죽음의 터널" 문제를 극복하여, 출력 커패시터 COUT 및 ESR은 출력 전압 VOUT의 출력 필터링을 제공하지만, 보상 증폭단(18)은 출력 커패시터 COUT와 무관하게(즉, 출력 커패시터 COUT의 제로를 구현하지 않고) LDO 선형 전력 공급 시스템(10)의 주파수 보상을 제공한다. 결과적으로, LDO 선형 전력 공급 시스템(10)은 출력 커패시터 COUT의 출력 필터링 함수 및 원하는 주파수 응답을 손상시키기 않고 출력 커패시터 COUT 및 따라서 ESR의 성분 값의 넓은 범위에 걸쳐 훨씬 더 큰 안정성을 보여줄 수 있다.
게다가, 통상적인 LDO 선형 전력 공급 시스템은 관련된 패스 요소의 제어 입력과 출력 전압과 관련된 피드백을 상호 연결하는 단 하나의 증폭단을 구현하며, 따라서 출력 전압에 더 직접적으로 기초하는 신호로 패스 요소를 구동한다. 따라서, 통상적인 LDO 선형 전력 공급 장치 시스템의 견고성은 또한 통상적인 LDO 선형 전력 공급 장치 시스템의 크로스오버 주파수, 이득 및 위상 마진 및 전력 공급 제거율(power supply rejection)에 대한 부하의 변동을 통해 손상될 수 있다. 이단 구현시 보상 증폭단(18) 및 이득 증폭단(22) 모두를 통합함으로써, 이득 증폭단(22)은 패스 요소(14) 상의 부하 효과를 분리하기 위해 패스 요소(14)와 출력 전압 VOUT의 주파수 보상 사이에 충분한 버퍼링을 제공한다. 다른 방법을 설명하면, 보상 증폭단(18)은 출력 전압 VOUT과 이득 증폭단(22)에 의해 제공된 DC 이득 스케일링 사이에 버퍼링을 제공한다. 따라서, LDO 선형 전력 공급 시스템(10)은 다양한 부하 조건을 통해 충분한 크로스오버 주파수, 이득 및 위상 마진, 및 전력 공급 제거율을 유지할 수 있다. 게다가, 두 증폭단을 구현함으로써, LDO 선형 전력 공급 시스템(10)은 통상적인 LDO 선형 전력 공급 시스템에 대해 실질적으로 개선된 성능을 달성하면서 비교적 단순한 설계를 유지할 수 있다. 더욱이, LDO 선형 전력 공급 시스템(10)의 매우 단순한 설계는 다양한 패스 요소 중 어느 하나가 최소한의 변화에 수용될 수 있고, LDO 선형 전력 공급 장치(10)가 출력 전압 VOUT을 생성할 시에 초저전압 강하 능력을 제공하기 위해 본 명세서에서 구현된 회로 구성 요소에 대하여 플렉시블할 수 있도록 한다.
도 2는 본 발명의 양태에 따른 LDO 선형 전력 공급 회로(50)의 예를 도시한다. LDO 선형 전력 공급 회로(50)는 IC 칩(즉, IC 패키지)에 포함될 수 있다. LDO 선형 전력 공급 회로(50)는 도 1의 예에서 LDO 선형 전력 공급 장치(12)에 대응할 수 있다. 따라서, 도 2의 예에 대한 다음의 설명에서 도 1의 예에 대한 참조가 행해질 수 있다.
LDO 선형 전력 공급 회로(50)는 입력 전압 VIN의 소정 범위를 통해 실질적으로 입력 전압 VIN에 비례하는 크기를 가진 출력 전압 VOUT을 생성하도록 구성된다. 예로서, 임계 크기보다 큰 크기로 증가하는 입력 전압 VIN에 응답하여, 출력 전압 VOUT은 거의 일정한 최대 크기에 제공될 수 있다. 본 명세서에서 보다 상세히 설명되어 있는 바와 같이, LDO 선형 전력 공급 회로(50)는 출력 전압 VOUT이 입력 전압 VIN에 기초하여 실질적으로 안정한 크기에 제공되어야 하는 다양한 응용 중 어느 하나에서 구현될 수 있다.
LDO 선형 전력 공급 회로(50)는 N 채널 MOSFET(N-FET) N1로서 도 2의 예에서 설명된 패스 요소(52)를 포함한다. N-FET N1은 드레인에서의 입력 전압 VIN과, 소스를 통해 출력 전압 VOUT을 제공하기 위한 출력(54)에 결합된다. 도 2의 예에서, N-FET N1은 입력 전압 VIN의 크기의 소정의 범위를 통해 선형 영역에서 N-FET N1을 제어하기 위해 게이트에서 제어 전압 CTRL을 수신한다.
LDO 선형 전력 공급 회로(50)는 또한 출력(54)에 결합되는 보상 증폭단(56)을 포함한다. 보상 증폭단(56)은 비반전 입력에서의 기준 전압 VREF과, 노드(60)에 결합된 반전 입력에서의 피드백 전압 VFB에 기초하여 안정화 전압 VSTA을 생성하도록 구성되는 보상 OP-AMP(58)를 포함한다. 따라서, 보상 OP-AMP(58)는 보상 OP-AMP(58)의 슬루(slew)를 위한 빠른 과도 응답을 제공하도록 반전 OP-AMP로 구성된다. 보상 증폭단(56)은 또한 접지로서 도 2의 예에서 설명된 출력(54) 및 저전압 레일을 상호 연결하는 저항 R1, R2 및 R3의 세트를 포함한다. 저항 R1 및 R2은 전압 VDIV1을 생성하기 위해 제 1 분압기를 형성하고, 저항 R2 및 R3은 전압 VDIV2을 생성하기 위해 제 2 분압기를 형성한다. 피드백 전압 VFB은 커패시터 C1 및 저항 R4에 의해 형성된 저항성-용량성 피드-포워드 네트워크를 통해 전압 VDIV1에 기초하고, 저항 R5을 통해 전압 VDIV2에 기초하며, 커패시터 C2 및 저항 R6에 의해 형성된 저항성-용량성 피드백 네트워크를 통해 안정화 전압 VSTA에 기초하여 노드(60)에서 생성된다. 따라서, 피드백 전압 VFB은 출력 전압 VOUT 및 안정화 전압 VSTA에 기초하여 생성된다. 따라서, 보상 OP-AMP(58)는 안정화 전압 VSTA의 주파수 응답에 영향을 주고, 따라서 출력 전압 VOUT에 영향을 주어, 실질적으로 안정화 전압 VSTA의 빠른 과도 응답을 제공하도록 LDO 선형 전력 공급 회로(50)의 주파수 보상을 제공하기 위해 안정화 전압 VSTA을 생성하기 위한 에러 증폭기의 역할을 한다.
안정화 전압 VSTA은 패스 요소(52)와 보상 증폭단(56)을 상호 연결하는 이득 증폭단(62)에 제공된다. 이득 증폭단(62)은 저항 R7을 통해 제어 전압 VCTRL을 생성하도록 구성되는 이득 OP-AMP(64)를 포함한다. 제어 전압 VCTRL은 N-FET N1이 입력 전압 VIN의 크기의 소정의 범위를 통해 선형 영역에서 동작될 수 있도록 N-FET N1의 게이트에 제공된다. 도 2의 예에서, 이득 OP-AMP(64)는 저항 R8을 통해 이득 OP-AMP(64)의 반전 입력에서 안정화 전압 VSTA을 수신하고, 저항 R9을 통해 비반전 입력의 접지에 결합된다. 게다가, 피드백 저항 R10은 출력과 이득 OP-AMP(64)의 반전 입력을 상호 연결한다. 그러므로, 이득 OP-AMP(64)는 제어 전압 VCTRL을 생성할 시에 안정화 전압 VSTA의 DC 이득 스케일링을 제공하고, 부하 임피던스가 보상 OP-AMP(58)의 주파수 응답에 영향을 미치지 않게 분리하기 위해 버퍼링을 제공하도록 구성된다. 결과적으로, 제어 전압 VCTRL은 안정화 전압 VSTA과 실질적으로 동일한 주파수 응답 및 실질적으로 빠른 과도 응답을 나타낼 수 있다. 따라서, N-FET N1은 제어 전압 VCTRL에 기초하여 입력 전압 VIN의 크기의 소정의 범위를 통해 선형 영역에서 동작될 수 있다.
LDO 선형 전력 공급 회로(50)는 도 2의 예로 한정되는 것으로 의도되지 않는 것이 이해되어야 한다. 예를 들면, LDO 선형 전력 공급 회로(50)는 보상단(56) 및/또는 이득단(62)에 대해 실질적으로 동일한 원하는 효과를 달성하기 위해 추가적 또는 대안적인 회로 구성 요소로 구현될 수 있다. 게다가, 패스 요소(52)는 N-FET로서 구현되는 것에 한정되지 않고, 대신에 NPN BJT 또는 NPN 달링턴 쌍으로서 구현될 수 있음으로써, 패스 요소(52)는 저항 R7을 통해 제공되는 전류에 의해 제어될 수 있다. 따라서, LDO 선형 전력 공급 회로(50)는 다양한 방식으로 구성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 양태에 따른 LDO 선형 전력 공급 회로(100)의 다른 예를 도시한다. LDO 선형 전력 공급 회로(100)는 IC 칩(즉, IC 패키지)에 포함될 수 있다. LDO 선형 전력 공급 회로(100)는 도 1의 예에서 LDO 선형 전력 공급 장치(12)에 대응할 수 있다. 따라서, 도 3의 예의 다음의 설명에서 도 1의 예에 대한 참조가 행해질 수 있다.
LDO 선형 전력 공급 회로(100)는 입력 전압 VIN의 소정의 범위를 통해 실질적으로 입력 전압 VIN에 비례하는 크기를 가진 출력 전압 VOUT을 생성하도록 구성된다. 본 명세서에서 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 출력 전압 VOUT은 도 3의 예에서 음의 전압일 수 있다. 예로서, 임계 크기보다 작은 크기로 감소하는 입력 전압 VIN에 응답하여, 출력 전압 VOUT은 거의 일정한 최소 크기에 제공될 수 있다. 본 명세서에서 보다 상세히 설명되어 있는 바와 같이, LDO 선형 전력 공급 회로(100)는 출력 전압 VOUT이 입력 전압 VIN에 기초하여 실질적으로 안정한 크기에 제공되어야 하는 다양한 응용 중 어느 하나에서 구현될 수 있다.
LDO 선형 전력 공급 회로(100)는 P 채널 MOSFET(P-FET) P1로서 도 3의 예에서 설명된 패스 요소(102)를 포함한다. P-FET P1은 소스에서의 입력 전압 VIN과, 드레인을 통해 출력 전압 VOUT을 제공하기 위한 출력(104)에 결합된다. 도 3의 예에서, P-FET P1은 입력 전압 VIN의 크기의 소정의 범위를 통해 선형 영역에서 P-FET P1을 제어하기 위해 게이트에서 제어 전압 CTRL을 수신한다. 저항 R11은 입력 전압 VIN과 제어 전압 VCTRL을 상호 연결하고, 시동 조건에 원하는 바이어스를 제공한다.
LDO 선형 전력 공급 회로(100)는 또한 출력(104)에 결합되는 보상 증폭단(106)을 포함한다. 보상 증폭단(106)은 비반전 입력에서의 저항 R12과, 노드(60)에 결합된 반전 입력에서의 피드백 전압 VFB을 통해 저전압 레일에 결합되는 것에 기초하여 안정화 전압 VSTA을 생성하도록 구성되는 보상 OP-AMP(108)를 포함한다. 따라서, 보상 OP-AMP(108)는 보상 OP-AMP(108)의 슬루를 위한 빠른 과도 응답을 제공하도록 반전 OP-AMP로서 구성된다. 보상 증폭단(106)은 또한 출력(104) 및 기준 전압 VREF을 상호 연결하는 저항 R13 및 R14의 세트를 포함한다. 저항 R13 및 R14은 전압 VDIV3을 생성하기 위해 분압기를 형성한다. 피드백 전압 VFB은 커패시터 C3 및 저항 R15에 의해 형성된 저항성-용량성 피드-포워드 네트워크를 통해 전압 VDIV3에 기초하며, 커패시터 C4 및 저항 R17에 의해 형성된 저항성-용량성 피드백 네트워크를 통해 안정화 전압 VSTA에 기초하여 노드(110)에서 생성된다. 따라서, 피드백 전압 VFB은 출력 전압 VOUT 및 안정화 전압 VSTA에 기초하여 생성된다. 따라서, 보상 OP-AMP(108)는 안정화 전압 VSTA의 주파수 응답에 영향을 주고, 따라서 출력 전압 VOUT에 영향을 주어, 실질적으로 안정화 전압 VSTA의 빠른 과도 응답을 제공하도록 LDO 선형 전력 공급 회로(100)의 주파수 보상을 제공하기 위해 안정화 전압 VSTA을 생성하기 위한 에러 증폭기의 역할을 한다.
안정화 전압 VSTA은 패스 요소(102)와 보상 증폭단(106)을 상호 연결하는 이득 증폭단(112)에 제공된다. 이득 증폭단(112)은 저항 R18을 통해 제어 전압 VCTRL을 생성하도록 구성되는 이득 OP-AMP(114)를 포함한다. 제어 전압 VCTRL은 P-FET P1이 입력 전압 VIN의 크기의 소정의 범위를 통해 선형 영역에서 동작될 수 있도록 P-FET P1의 게이트에 제공된다. 도 3의 예에서, 이득 OP-AMP(114)는 저항 R19을 통해 이득 OP-AMP(114)의 반전 입력에서 안정화 전압 VSTA을 수신하고, 저항 R20을 통해 비반전 입력의 접지에 결합된다. 게다가, 피드백 저항 R21은 출력과 이득 OP-AMP(114)의 반전 입력을 상호 연결한다. 그러므로, 이득 OP-AMP(114)는 제어 전압 VCTRL을 생성할 시에 안정화 전압 VSTA의 DC 이득 스케일링을 제공하도록 구성된다. 결과적으로, 제어 전압 VCTRL은 안정화 전압 VSTA과 실질적으로 동일한 주파수 응답 및 실질적으로 빠른 과도 응답을 나타낼 수 있다. 따라서, P-FET P1은 제어 전압 VCTRL에 기초하여 입력 전압 VIN의 크기의 소정의 범위를 통해 선형 영역에서 동작될 수 있다.
LDO 선형 전력 공급 회로(100)는 도 3의 예로 한정되는 것으로 의도되지 않는 것이 이해되어야 한다. 예를 들면, LDO 선형 전력 공급 회로(100)는 보상단(106) 및/또는 이득단(112)에 대해 실질적으로 동일한 원하는 효과를 달성하기 위해 추가적 또는 대안적인 회로 구성 요소로 구현될 수 있다. 게다가, 패스 요소(102)는 P-FET로서 구현되는 것에 한정되지 않고, 대신에 PNP BJT 또는 PNP 달링턴 쌍으로서 구현될 수 있음으로써, 패스 요소(102)는 저항 R18을 통해 제공되는 전류에 의해 제어될 수 있다. 따라서, LDO 선형 전력 공급 회로(100)는 다양한 방식으로 구성될 수 있다.
상술한 것은 본 발명의 예이다. 물론, 본 발명을 설명하기 위한 구성 요소 또는 방법의 모든 가능한 조합을 설명하는 것이 가능하지 않지만, 당업자는 본 발명의 많은 추가의 조합 및 치환이 가능하다는 것을 인식할 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구 범위를 포함하는 본 출원의 범위 내에서 모든 대안, 수정 및 변형을 포함하도록 의도된다.

Claims (20)

  1. 저전압 강하(LDO) 선형 전력 공급 시스템에 있어서,
    입력 전압에 기초하여 LDO 출력에서 출력 전압을 생성하도록 구성된 패스 요소;
    상기 LDO 출력에 결합되고, 주파수 보상을 제공하고 안정화 전압을 생성하도록 구성된 보상 증폭단; 및
    상기 보상 증폭단은:
    보상 연산 증폭기(OP-AMP)의 제1 입력에서의 기준 전압에 기초하여 상기 보상 OP-AMP의 출력에서 상기 안정화 전압을 생성하고, 상기 보상 OP-AMP의 제2 입력에서의 피드백 전압을 생성하도록 구성된 상기 보상 OP-AMP;
    상기 LDO 출력과 상기 보상 OP-AMP의 제2 입력 사이에 결합되고 상기 LDO 출력에서의 상기 출력 전압의 일부인 피드-포워드 출력 전압을 생성하도록 구성된 저항성-용량성 피드-포워드 네트워크 ― 상기 저항성-용량성 피드-포워드 네트워크는 제1 전압 분압기 및 제2 전압 분압기를 포함하고 상기 제1 및 제2 전압 분압기들은 상기 피드-포워드 출력 전압을 생성하기 위해 협력하도록 구성됨―; 및
    상기 보상 OP-AMP의 상기 제2 입력과 상기 출력 사이에 결합되고 상기 안정화 전압을 상기 제2 입력으로 피드백하도록 구성되는 저항성-용량성 피드백 네트워크 ― 상기 보상 OP-AMP의 제2 입력에서 생성된 상기 피드백 전압은 상기 안정화 전압, 상기 피드-포워드 출력 전압 및 상기 기준 전압에 기초하여 생성됨―을 포함하고;
    상기 보상 증폭단 및 상기 패스 요소를 상호 접속하고, 상기 안정화 전압에 기초하여 제어 전압을 생성하도록 구성되는 이득 증폭단을 포함하고,
    상기 제어 전압은 상기 입력 전압의 주어진 범위 내에서 상기 입력 전압에 비례하는 상기 출력 전압을 생성하기 위해 상기 안정화 전압의 DC 이득 스케일링과 함께 상기 패스 요소에 제공되는,
    저전압 강하 선형 전력 공급 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 저항성-용량성 피드-포워드 및 피드백 네트워크들은 상기 출력 전압의 주파수 응답에 영향을 미치고, 상기 안정화 전압의 빠른 과도 응답을 제공하기 위해 협력하도록 구성되는,
    저전압 강하 선형 전력 공급 시스템.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 이득 증폭단은 제 1 입력에서 상기 안정화 전압을 수신하고, 이득 OP-AMP의 출력에서 제어 전압을 생성하도록 구성된 상기 이득 OP-AMP를 포함하는
    저전압 강하 선형 전력 공급 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어 전압은 상기 안정화 전압에 비례하는 크기를 갖는
    저전압 강하 선형 전력 공급 시스템.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 패스 요소는 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT), 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET) 및 트랜지스터의 달링턴 쌍 중 하나로 구성되는
    저전압 강하 선형 전력 공급 시스템.
  9. 집적 회로(IC) 칩으로서,
    제 1 항의 저전압 강하 선형 전력 공급 시스템을 포함하는,
    집적 회로(IC) 칩.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 IC 칩은 상기 출력 전압의 출력 필터링을 제공하기 위해 상기 IC의 외부의 LDO 출력에 결합되는 커패시터 및 관련된 등가 직렬 저항(ESR)을 수신하도록 구성되는 단자를 포함하는 집적 회로(IC) 칩.
  11. 저전압 강하(LDO) 선형 전력 공급 시스템에 있어서,
    입력 전압에 기초하여 출력에서 LDO 출력 전압을 생성하도록 구성된 패스 요소;
    상기 LDO 출력에 결합되고, 주파수 보상을 제공하고 상기 출력 전압 및 기준 전압과 관련된 피드백 전압에 응답하여 안정화 전압을 생성하도록 구성된 보상 증폭단;
    상기 보상 증폭단은:
    보상 연산 증폭기(OP-AMP)의 제1 입력에서의 기준 전압에 기초하여 상기 보상 OP-AMP의 출력에서 상기 안정화 전압을 생성하고, 상기 보상 OP-AMP의 제2 입력에서의 피드백 전압을 생성하도록 구성된 상기 보상 OP-AMP;
    상기 LDO 출력과 상기 보상 OP-AMP의 제2 입력 사이에 결합되고 상기 LDO 출력에서의 상기 출력 전압의 일부인 피드-포워드 출력 전압을 생성하도록 구성된 저항성-용량성 피드-포워드 네트워크 ― 상기 저항성-용량성 피드-포워드 네트워크는 제1 전압 분압기 및 제2 전압 분압기를 포함하고 상기 제1 및 제2 전압 분압기들은 상기 피드-포워드 출력 전압을 생성하기 위해 협력하도록 구성됨―; 및
    상기 보상 OP-AMP의 상기 제2 입력과 상기 출력 사이에 결합되고 상기 안정화 전압을 상기 제2 입력으로 피드백하도록 구성되는 저항성-용량성 피드백 네트워크 ― 상기 보상 OP-AMP의 제2 입력에서 생성된 상기 피드백 전압은 상기 안정화 전압, 상기 피드-포워드 출력 전압 및 상기 기준 전압에 기초하여 생성됨―을 포함하고;
    상기 보상 증폭단 및 상기 패스 요소를 상호 접속하고, 상기 안정화 전압에 기초하여 제어 전압을 생성하도록 구성되며, 상기 안정화 전압의 주파수 응답과 균등한 주파수 응답을 갖는 이득 증폭단 ― 상기 제어 전압은 상기 입력 전압의 주어진 범위 내에서 상기 입력 전압에 비례하는 상기 출력 전압을 생성하기 위해 상기 안정화 전압의 DC 이득 스케일링과 함께 상기 패스 요소에 제공됨 ―; 및
    상기 출력 전압의 출력 필터링을 제공하기 위해 상기 출력에 결합되는 커패시터 및 관련된 등가 직렬 저항(ESR)을 포함하는
    저전압 강하 선형 전력 공급 시스템.
  12. 삭제
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 저항성-용량성 피드-포워드 및 피드백 네트워크는 상기 출력 전압의 주파수 응답에 영향을 미치고, 상기 안정화 전압의 빠른 과도 응답을 제공하기 위해 협력하도록 구성되는,
    저전압 강하 선형 전력 공급 시스템.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 이득 증폭단은 제 1 입력에서 상기 안정화 전압을 수신하고, 이득 OP-AMP의 출력에서 제어 전압을 생성하도록 구성된 상기 이득 OP-AMP를 포함하는
    저전압 강하 선형 전력 공급 시스템.
  15. 제 11 항의 저전압 강하 선형 전력 공급 시스템을 포함하는 집적 회로(IC) 칩.
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