KR20150130259A - 클럭 주파수 피드 포워드 제어를 이용하는 캡리스 전압 조정기 - Google Patents

클럭 주파수 피드 포워드 제어를 이용하는 캡리스 전압 조정기 Download PDF

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KR20150130259A
KR20150130259A KR1020157008303A KR20157008303A KR20150130259A KR 20150130259 A KR20150130259 A KR 20150130259A KR 1020157008303 A KR1020157008303 A KR 1020157008303A KR 20157008303 A KR20157008303 A KR 20157008303A KR 20150130259 A KR20150130259 A KR 20150130259A
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Abstract

실시예들에 따른, 출력 디바이스를 제어하기 위한 전압 조정기는 에러 증폭기; 제어된 컨덕턴스 출력 디바이스; 및 부하 예측 회로를 포함하고, 여기에서 출력 디바이스를 제어하기 위해 에러 증폭기의 출력과 부하 예측 회로의 출력이 합산된다.

Description

클럭 주파수 피드 포워드 제어를 이용하는 캡리스 전압 조정기{IMPROVED CAPLESS VOLTAGE REGULATOR USING CLOCK-FREQUENCY FEED FORWARD CONTROL}
본 출원은 2013년 03월 14일 출원된 미국 가출원 제61/784,737호의 변환으로서 그 우선권의 이익을 주장하며, 이 가출원은 여기에 전체로 기재된 바와 같이 모든 목적으로 그 전체가 여기에서 참조로 통합된다.
본 발명은 전압 조정기들에 관한 것으로, 특히, 개선된 캡리스(cap-less) 전압 조정기에 관한 것이다.
전압 조정기들은 입력 또는 부하 상태들에 상관없이 정전압 출력을 유지하도록 설계된 회로들이다.
도 1은 종래의 전압 조정기를 설명하는 다이어그램이다. 전압 조정기(100)는 트랜스컨덕턴스 증폭기(104)에서 기준 전압(102)과 출력단(108)으로부터의 피드백 전압을 비교하여 출력(108)을 구동하는 전류를 산출할 전류 미러(106)에 의해 이후 곱해지는 전류를 생성한다.
클럭 스위칭은 이러한 전압 조정기들을 너무 빠르게 큰 부하 과도 현상(transient)에 처하게 하므로, 전압 조정기들이 응답할 수 없게 된다. 예를 들면, 클럭 스위치로 전류 수요가 4ns 동안 75㎂에서 75mA까지 될 수 있다. 부하가 15nF이면, 5mV/ns의 공급량 변화가 일어나게 된다. 하지만, 전형적인 전압 조정기는 기껏해야 단지 약 100 mV 마진을 가질 것이다.
외부 커패시터들이 전압 조정기들에 시간을 제공할 수 있는 충분한 전하를 제공하는데 사용될 수 있지만, 기생용량으로 인해, 비교적 작은 과도 현상에만 사용될 수 있다. 또한, 집적회로 환경에서는 외부 커패시터는 고가의 핀으로 부담이 되고 반면에 규제의 결과와 더불어 조립 문제들을 불러온다.
선행기술에 있는 이들 결점들은 본 개시의 실시예들에 따른 시스템과 방법에 의한 대부분 극복된다.
개시된 실시예들은 안정적이고 부하 과도 현상에 빠르게 반응하는 온칩 캡리스 전압 조정기에 관한 것이다. 실시예들은 부하 변화들을 예측하기 위해 순간적인 디지털 클럭 주파수들에 대한 지식을 활용한다. 실시예들은 전압 조정기에 부하의 클럭 주파수 및 선택적으로 전력 소멸 커패시턴스를 제공함으로써, 캡리스 전압 조정기의 응답 시간을 감소시킨다.
실시예들에 따른, 출력 디바이스를 제어하기 위한 전압 조정기는 에러 증폭기; 제어된 컨덕턴스 출력 디바이스; 및 부하 예측 회로를 포함하고, 상기 출력 디바이스를 제어하기 위해 상기 에러 증폭기의 출력과 상기 부하 예측 회로의 출력이 합산된다. 일부 실시예들에서, 상기 부하 예측 회로는 주파수-전류 변환기이다. 일부 실시예들에서, 상기 주파수-전류 변환기는 다음의 방정식의 활성 인자 KACT를 구현한다.
I부하 =I누설 +Idyn
여기에서 I부하는 부하에 필요한 전류이고;
I누설은 부하(기타 알려진 요인들과 무관함)에 필요한 누설 전류이고; 그리고
Idyn은 동적 전류로, Idyn = (KACT *VDD *CPD *FCLK)에 의해 특정되며,
여기에서 KACT는 부하(슬립 모드와 같은 동작 조건들에 따라 변화함)의 활성 인자이고;
VDD은 부하에 공급된 전압이고;
CPD는 부하(대부분 불변임)의 소위 "전력 손실 커패시턴스" 특성이고;
FCLK는 부하를 구동시키는 클럭 주파수이다.
일부 실시예들에서, 상기 에러 증폭기는 저 이득 고속 경로와 고 이득 저속 경로를 갖는 트랜스컨덕턴스 증폭기를 포함한다. 일부 실시예들에서, 상기 부하 예측 회로는 마스크 회로에 의해 스케일되는 복수의 주파수-전류 변환기들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 상기 부하 예측 회로는 출력 전압을 만들어 내는 트랜스임피던스 디바이스를 포함한다.
일부 실시예들은 이러한 전압 조정기를 포함하는 집적회로를 포함할 수 있다. 다른 실시예들은 이러한 전압 조정기를 제조하는 방법을 포함할 수 있다. 많은 다른 실시예들이 또한 가능하다.
본 개시의 이들 및 다른 특징들은 첨부 도면들과 결합된 이하의 설명을 참조하면 보다 완전하게 이해될 수 있을 것이다. 하지만, 본 개시의 다양한 실시예들 및 이들의 다수의 특정 세부 사항들을 나타내는 다음의 설명은 예시로서 주어지고 한정하고자 하는 것이 아님을 이해해야 한다. 많은 대체들, 수정들, 추가들 및/또는 재배열들이 본 개시의 사상을 벗어나지 않는 본 개시의 범위 내에서 행해질 수 있고, 본 개시는 모든 이러한 대체들, 수정들, 추가들 및/또는 재배열들을 포함한다.
첨부된 도면들을 참조하면, 본 발명을 더 잘 이해할 수 있고 그리고 많은 목적들, 특징들 및 장점들이 이 기술분야의 당업자에 명백해질 것이다. 서로 다른 도면들에서의 동일 참조 기호들은 유사 또는 동일 아이템들을 표시하는데 사용된다.
도 1은 예시적인 전압 조정기를 도시하는 도면이다.
도 2는 실시예들에 따른, 전압 조정기를 도시하는 도면이다.
도 3a 내지 도 3c는 실시예에 따른, 전압 조정기의 구성 요소들을 도시하는 도면이다.
도 4는 실시예에 따른 전압 조정기를 도시하는 도면이다.
본 개시 및 다양한 특징들 및 이들의 유리한 세부 사항들은 예시적이고 따라서 비제한적인 실시예들을 참고로 하여 보다 상세히 설명되고, 이 실시예들은 첨부 도면들에 도시되었으며 이하에 상세히 설명된다. 알려진 프로그래밍 기술들, 컴퓨터 소프트웨어, 하드웨어, 동작 플랫폼들 및 프로토콜들의 설명들은 상세한 개시를 불필요하게 모호하게 하지 않도록 하기 위해 생략될 수 있다. 그러나, 상세한 설명 및 특정 예시들은 바람직한 실시예들을 나타내지만 예시적으로만 주어지며 한정적으로 주어지지 않음을 이해해야 한다. 기본적인 발명의 개념의 사상 및/또는 범위 내에서의 다양한 대체들, 변경들, 추가들 및/또는 재배열들은 본 개시로부터 본 기술분야의 당업자들에게 명백해질 것이다.
여기에서 사용되는 바와 같이, "포함한다", "포함하는", "가진다", "갖는" 또는 이들의 임의의 다른 변형의 용어들은 비(non) 배타적인 포함을 포괄한다. 예를 들어, 구성요소들의 리스트를 포함하는 프로세스, 제품, 물건, 또는 장치는 반드시 이 구성요소들만으로 제한되는 것은 아니라, 이러한 프로세스, 제품, 물건, 또는 장치에 명시적으로 나열되지 않았거나 고유하지 않은 다른 구성요소들을 포함할 수 있다. 또한, 명시적으로 반대로 진술되지 않는다면, "또는"은 포괄적인 '또는'을 가리키며, 배타적인 '또는'을 가리키지 않는다. 예를 들어, 조건 A 또는 B는 다음 중 어느 하나에 의해 만족된다: A가 참이고(또는 존재하고) B는 거짓이다(또는 존재하지 않는다), A가 거짓이고(또는 존재하지 않고) B가 참이다(또는 존재한다), 및 A와 B는 둘 다 참이다(또는 존재한다).
부가적으로, 여기에서 주어진 임의의 예시들 또는 도시들은 어떤 경우에도 이들과 함께 사용되는 임의의 용어 또는 용어들의 제한들, 한정들, 또는 명시적 정의들로서 간주되어서는 안된다. 대신에 이 예시들 또는 도시들은 하나의 특정 실시예에 관하여 설명된다고 간주되고, 또한 단지 예시적인 것으로 간주되어야 한다. 본 기술분야의 통상의 기술을 가진 자들은 이 예시들 또는 도시들과 함께 사용되는 임의의 용어 또는 용어들이 실시예들의 구현들 또는 개조들뿐만 아니라 다른 실시예들을 포괄하고, 이것들은 본 명세서에서 실시예와 함께 또는 다른 곳에서 제공될 수도 안될 수도 있으며 모든 이러한 실시예들은 그 용어 또는 용어들의 범위 내에 포함되도록 되어 있음을 인식할 것이다. 이러한 비제한적인 예시들 및 도시들을 지시하는 언어는 "예를 들어", "예를 들면", "예컨대", "일 실시예에서" 등을 포함하지만, 이들로 한정되는 것은 아니다.
이제 도면으로 돌아가서 도 2를 주목하면, 실시예들에 따른 온칩 캡리스 전압 조정기의 다이어그램이 도시되어 있고 전반적으로 참조 번호(200)에 의해 식별된다. 도 2의 전압 조정기(200)는 트랜스컨덕턴스 증폭기(204)에서 기준 전압(202)과 출력(208)으로부터의 피드백 전압을 비교하여 출력(208)을 구동하는 전류를 산출할 전류 미러(206)에 의해 나중에 곱해지는 전류를 생성한다.
또한, 실시예들에 따른 전압 조정기(200)는 주파수-전류 변환기(들)(210)을 구동하는 부하(들)의 클럭(들)(212)을 포함한다. 그 결과로 생긴 전류(214)가 트랜스컨덕턴스 증폭기(204)의 출력에 추가되어 전류 미러(206)를 구동하고 출력부(208)를 구동한다. 그 결과로 생긴 성능 개선은 부하에서의 클럭 주파수의 변화와 시스템 전압에서의 그에 의한 변화 사이의 지연의 제거에 기인한다.
주파수-전류 변환기(210)는 부하 함수, 즉, 전압 조정기가 제공할 필요가 있는 대략적인 부하 함수를 모방한다. 예를 들어, 전형적인 CMOS 부하는 다음의 전류를 필요로 할 것이다.
I부하 =I누설 +Idyn
여기에서 I부하는 부하에 필요한 전류이고;
I누설은 부하(기타 알려진 요인들과 무관함)에 필요한 누설 전류이고; 그리고
Idyn은 동적 전류로, Idyn = (KACT *VDD *CPD *FCLK)에 의해 특정되고,
여기에서 KACT는 부하(슬립 모드와 같은 동작 조건들에 따라 변화함)의 활성 인자이고;
VDD은 부하에 공급된 전압이고;
CPD는 부하(대부분 불변임)의 소위 "전력 손실 커패시턴스" 특성이고;
FCLK는 부하를 구동시키는 클럭 주파수이다.
즉, 일부 실시예들에서, 주파수-전류 변환기(210)에 의해서 인자 Idyn이 모델화된다. 다른 부하 함수들이 유사하게 모방(모델링)될 수 있음에 주목해야 한다. 예측기의 출력과 에러 증폭기의 출력이 합산되어 출력 디바이스를 제어한다.
일부 실시예들에서, 트랜스컨덕턴스 에러 증폭기는 2개의 경로들: 차동 N 채널 트랜지스터들을 포함하는 저 이득 고속 경로와, 차동 P 채널 트랜지스터를 포함하는 저속 고 이득 경로로 구현된다. 이러한 회로가 도 3a에 도시되어 있다. 특히, 간략화된 고 이득, 저 밴드폭 경로의 예가 302에 도시되어 있고, 간략화된 저 이득 고 밴드폭 경로의 예가 304에 도시되어 있다. 다른 구현예들이 가능함에 주목해야 한다.
도시된 예에서, 고 이득 저 밴드 증폭기(302)는 N 채널 제어 전류원 출력을 구동하는 4개의 차동 P채널 트랜지스터 전압 증폭기(모두 4개의 트랜지스터들에 캐스코드를 사용함)이다. 고 이득 저 밴드 증폭기(302)는 N 채널 출력 디바이스의 게이트에서 고 전압 이득을 갖지만(it has high voltage gain into the gate of the N-channel output device), 초저 전류(차동 쌍으로의 100nA 테일 전류) 및 고 출력 커패시턴스(100 마이크론 폭과 상당히 긴 채널의 출력 디바이스)로 인해 매우 느린 응답을 얻는다. 애플리케이션에 따라서는, 그 응답을 더 느리게 할 필요가 있다.
저 이득 고 밴드폭 증폭기(304)는 전류 스티어링 트랜스컨덕턴스이다. 차동 N 채널 디바이스들은 피드백값과 기준값을 비교하고, P 채널 미러는 이 비교 값을 + 와 - 사이의 출력 전류, 즉 차동 쌍에 대한 테일 전류로 변환한다. 제2 입력 전류는, 그 출력이 전압 조정기의 출력단에 있는 전류 미러를 결코 턴오프하지 않도록, (- 테일 내지 + 테일)로부터 (- 2 * 테일 내지 0)으로 범위를 시프트하기 위해 상기 출력에 합류된다. 예시의 P 채널 통과 트랜지스터/전류 미러가 도 3b에 도시되어 있다. 도시된 예에서, 전류 미러(206)는 공통 게이트를 갖는 트랜지스터(350)와 트랜지스터(352)를 포함한다. 트랜지스터(350)는 디바이스를 구동하는 전류들에 대한 부하로서 다이오드-연결된다. 트랜지스터(352)의 드레인은 부하(208)에 연결된다. 일부 실시예들에서, 트랜지스터(352)는 트랜지스터(350)보다 더 크다. 일부 실시예들에서, 이것은 50 대 1의 비율일 수 있다. 전류 미러의 증배(multiplication) 범위는 전압 조정기의 희망의 속도 대 허용 가능한 소비 전력(acceptable power use)의 함수이다. 일반적으로, 10보다 크고 1000보다 적은 배수가, 비록 이들 제한이 단지 경험 법칙일지라도, 실용적이다. 2개의 트랜지스터들(350, 352)의 공통 소스는 입력 전원에 결합된다.
일부 실시예들에서, 주파수-전류 변환기(210)는 복수의 스테이지들을 포함한다. 스테이지의 일례가 도 3c에 도시되어 있다. 도시된 예시에서, 스테이지는 NAND 게이트(360), 부하 커패시터(368), 및 인버터들(362, 364)을 포함한다. 각 스테이지는 인버터(362)의 출력을 NAND 게이트(360)의 입력으로 수신한다(제1 스테이지는 시스템 클럭(미도시됨)으로 구동될 수 있음). 또한 NAND 게이트(360)는 KACT 인자를 축척하기(scale) 위하여 마스크(MASK) 입력을 수신할 수 있다. 임의의 스테이지에 마스크를 적용함으로써 이후의 스테이지들이 스위칭되는 것을 방지할 수 있다. 주파수-전류 변환기의 다른 구현예들이 가능함에 주목해야 한다.
또 하나의 실시예가 도 4에 도시되어 있다. 특히 회로(400)는 출력 전류 대신에 출력 전압을 제공하기 위해 트랜스임피던스 디바이스(460)에 제공되는 출력을 갖는 주파수-전류 변환기(210)를 포함한다. 도시된 실시예들에서, 트랜스컨덕턴스 증폭기(204)는 고속 경로(412)와 저속 경로(410)로 구현된다. 저속 경로는 제어 전하 펌프를 포함하며, 그의 출력은 고속 경로(412)와 예측기 디바이스(주파수-전류 변환기(210)) 출력을 트랜지스터(402)의 입력단에 결합하는 부유 커패시터의 양단에 형성된다. 트랜지스터(402)는 공통 드레인 구성의 단일의 큰 트랜지스터이다. 트랜지스터(402)의 드레인은 입력 전원에 결합되고, 그 게이트는 제어 노드이고, 그리고 소스는 부하에 결합된다. 또한, 일부 실시예에서, 증폭기(407)는 고속 경로(412)를 구현하는데 사용될 수 있다.
전술한 본 명세서는 특정 실시예들을 설명하지만, 여기에 개시된 실시예들의 세부 사항들에서의 수많은 변화들 및 부가적인 실시예들은 이 설명을 참조하는 이 기술분야에 통상의 기술을 가진 사람들에게 명백할 것이고, 또한 이들에 의해 만들어질 수 있다. 이러한 관계에서, 본 명세서 및 도면은 제한적인 의미라기보다는 오히려 예시적인 의미로 간주되어야 하고, 모든 이러한 변경들은 본 개시의 범위 안에 포함된다. 따라서, 본 개시의 범위는 다음의 청구항들 및 이들의 법적인 균등물들에 의해 결정되어야 한다.

Claims (18)

  1. 출력 디바이스를 제어하기 위한 전압 조정기로서,
    에러 증폭기;
    제어된 컨덕턴스 출력 디바이스; 및
    부하 예측 회로를 포함하고,
    상기 출력 디바이스를 제어하기 위해 상기 에러 증폭기의 출력과 상기 부하 예측 회로의 출력이 합산되는, 전압 조정기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 부하 예측 회로는 주파수-전류 변환기인, 전압 조정기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 주파수-전류 변환기는 다음의 방정식의 활성 인자 KACT를 구현하는, 전압 조정기.
    I부하 =I누설 +Idyn
    여기에서 I부하는 부하에 필요한 전류이고;
    I누설은 부하(기타 알려진 요인들과 무관함)에 필요한 누설 전류이고; 그리고
    Idyn은 동적 전류로, Idyn = (KACT *VDD *CPD *FCLK)에 의해 특정되며,
    여기에서 KACT는 부하(슬립 모드와 같은 동작 조건들에 따라 변화함)의 활성 인자이고;
    VDD은 부하에 공급된 전압이고;
    CPD는 부하(대부분 불변임)의 소위 "전력 손실 커패시턴스" 특성이고;
    FCLK는 부하를 구동시키는 클럭 주파수이다.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 에러 증폭기는 저 이득 고속 경로와 고 이득 저속 경로를 갖는 트랜스컨덕턴스 증폭기를 포함하는, 전압 조정기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 부하 예측 회로는 마스크 회로에 의해 스케일되는(scaled) 복수의 주파수-전류 변환기들을 포함하는, 전압 조정기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 부하 예측 회로는 출력 전압을 만들어 내는 트랜스임피던스 디바이스를 포함하는, 전압 조정기.
  7. 에러 증폭기를 제공하는 것;
    제어된 컨덕턴스 출력 디바이스를 제공하는 것; 및
    부하 예측 회로를 제공하는 것을 포함하고,
    상기 출력 디바이스를 제어하기 위해 상기 에러 증폭기의 출력과 상기 부하 예측 회로의 출력이 합산되는, 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 부하 예측 회로는 주파수-전류 변환기인, 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 주파수-전류 변환기는 다음의 방정식의 활성 인자 KACT를 구현하는, 방법.
    I부하 =I누설 +Idyn
    여기에서 I부하는 부하에 필요한 전류이고;
    I누설은 부하(기타 알려진 요인들과 무관함)에 필요한 누설 전류이고; 그리고
    Idyn은 동적 전류로, Idyn = (KACT *VDD *CPD *FCLK)에 의해 특정되며,
    여기에서 KACT는 부하(슬립 모드와 같은 동작 조건들에 따라 변화함)의 활성 인자이고;
    VDD은 부하에 공급된 전압이고;
    CPD는 부하(대부분 불변임)의 소위 "전력 손실 커패시턴스" 특성이고;
    FCLK는 부하를 구동시키는 클럭 주파수이다.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 에러 증폭기는 저 이득 고속 경로와 고 이득 저속 경로를 갖는 트랜스컨덕턴스 증폭기를 포함하는, 방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 부하 예측 회로는 마스크 회로에 의해 스케일되는 복수의 주파수-전류 변환기들을 포함하는, 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 부하 예측 회로는 출력 전압을 만들어 내는 트랜스임피던스 디바이스를 포함하는, 방법.
  13. 온칩 전압 조정기를 포함하는 집적회로 디바이스로서,
    상기 온칩 전압 조정기는,
    에러 증폭기;
    제어된 컨덕턴스 출력 디바이스; 및
    부하 예측 회로를 포함하고,
    상기 출력 디바이스를 제어하기 위해 상기 에러 증폭기의 출력과 상기 부하 예측 회로의 출력이 합산되는, 집적회로 디바이스.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 부하 예측 회로는 주파수-전류 변환기인, 집적회로 디바이스.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 주파수-전류 변환기는 다음의 방정식의 활성 인자 KACT를 구현하는, 집적회로 디바이스.
    I부하 =I누설 +Idyn
    여기에서 I부하는 부하에 필요한 전류이고;
    I누설은 부하(기타 알려진 요인들과 무관함)에 필요한 누설 전류이고; 그리고
    Idyn은 동적 전류로, Idyn = (KACT *VDD *CPD *FCLK)에 의해 특정되며,
    여기에서 KACT는 부하(슬립 모드와 같은 동작 조건들에 따라 변화함)의 활성 인자이고;
    VDD은 부하에 공급된 전압이고;
    CPD는 부하(대부분 불변임)의 소위 "전력 손실 커패시턴스" 특성이고;
    FCLK는 부하를 구동시키는 클럭 주파수이다.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 에러 증폭기는 저 이득 고속 경로와 고 이득 저속 경로를 갖는 트랜스컨덕턴스 증폭기를 포함하는, 집적회로 디바이스.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 부하 예측 회로는 마스크 회로에 의해 스케일되는 복수의 주파수-전류 변환기들을 포함하는, 집적회로 디바이스.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 부하 예측 회로는 출력 전압을 만들어 내는 트랜스임피던스 디바이스를 포함하는, 집적회로 디바이스.
KR1020157008303A 2013-03-14 2014-03-13 클럭 주파수 피드 포워드 제어를 이용하는 캡리스 전압 조정기 KR20150130259A (ko)

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