KR20240041121A - A regulator with digital feedback control and event-driven method - Google Patents

A regulator with digital feedback control and event-driven method Download PDF

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KR20240041121A
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이강윤
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 DLDO(Digital Low Dropout Regulator)의 동작 방법에 있어서, 복수의 PMOS가 포함된 PMOS Array가 출력 전압을 추출하고, 추출한 전압을 Window ADC로 전달하는 단계; 상기 Window ADC가 전달된 전압이 기설정된 전압 범위에 포함되는지 판단하고, 판단 결과에 기초하여 클락 신호를 발생시키고, 상기 전압을 PID(Proportional Integral Derivative control) Controller로 전달하는 단계; 상기 PID Controller는 상기 전압 및 목표 전압을 기설정된 Fuzzy Logic에 입력하여 최적의 PID Gain 값을 산출하는 단계; 상기 PID controller는 상기 산출한 최적의 PID Gain 값을 PID 연산에 적용하여 Correct 수치를 산출하는 단계; 및 상기 PID controller는 상기 Correct 수치를 상기 PMOS Array로 전송하여 상기 PMOS Array로부터 출력되는 전압을 조절하는 단계; 를 포함할 수 있다.A method of operating a Digital Low Dropout Regulator (DLDO) according to an embodiment of the present invention includes the steps of extracting an output voltage from a PMOS array including a plurality of PMOS and transferring the extracted voltage to a Window ADC; The Window ADC determines whether the delivered voltage is within a preset voltage range, generates a clock signal based on the determination result, and transmits the voltage to a PID (Proportional Integral Derivative control) Controller; The PID Controller calculates an optimal PID gain value by inputting the voltage and target voltage into a preset Fuzzy Logic; The PID controller calculates a Correct value by applying the calculated optimal PID gain value to PID operation; and the PID controller transmitting the Correct value to the PMOS array to adjust the voltage output from the PMOS array. may include.

Description

디지털 피드백 제어 및 이벤트 드리븐 방식을 적용한 레귤레이터{A regulator with digital feedback control and event-driven method}Regulator with digital feedback control and event-driven method {A regulator with digital feedback control and event-driven method}

본 발명은 Auto Tuning PID 방식의 디지털 피드백 제어 및 Event Driven 방식을 적용한 DLDO(Digital Low Dropout Regulator)에 관한 발명이다.The present invention relates to a Digital Low Dropout Regulator (DLDO) applying the Auto Tuning PID type digital feedback control and Event Driven type.

최근 웨어러블 디바이스에서는 경량화, 무선 통신의 고속화가 요구되고 있다. 그에 따라, 물리적 크기와 무게 설계 제약이 야기되었으며, 이는 배터리의 크기와 용량 제한 문제로 직결되었다. 그 결과, 한정된 전원에서 전류 소모를 적게 소비하는 저전력 회로에 대한 필요성이 점차 증가하고 있는 추세이다. Recently, wearable devices are required to be lightweight and have faster wireless communication. As a result, physical size and weight design constraints were created, which directly led to battery size and capacity limitations. As a result, the need for low-power circuits that consume less current in limited power sources is gradually increasing.

또한, 기존의 고정된 튜닝 방식의 제어기 회로들은 다양한 환경 및 변수들에 대해 빠르게 변화하거나 적응하지 못하여 느린 처리 속도를 보여준다. 특히, 기존의 아날로그 LDO(Low Dropout Regulator)는 낮은 공급 전원을 받게 되면 응답 속도가 감소되었는데, 이는 외부 잡음과 같은 요인으로 인한 전체 모듈의 성능 저하로 이어지게 된다. 또한, 기존의 DLDO는 Shift Register 또는 PI 구조를 사용하여 낮은 공급 전원에서도 동작을 하지만. 클락의 전류 소모가 크다는 문제점이 존재하였다. 또한 고정된 파라미터 값은 다양한 디바이스나 환경 변수에 의해서 최적의 상태를 항상 유지할 수 없다는 문제점이 존재하였다. 이를 해결하기 위해 빠른 응답 속도를 가지면서도, 저전력으로 동작할 수 있는 회로가 도입될 필요가 있다.Additionally, existing fixed tuning controller circuits are unable to change or adapt quickly to various environments and variables, resulting in slow processing speed. In particular, the response speed of the existing analog LDO (Low Dropout Regulator) is reduced when it receives low supply power, which leads to a decrease in the performance of the entire module due to factors such as external noise. In addition, the existing DLDO operates even at low supply power by using a shift register or PI structure. There was a problem that the clock's current consumption was large. Additionally, there was a problem that fixed parameter values could not always be maintained in an optimal state due to various devices or environmental variables. To solve this problem, it is necessary to introduce a circuit that has a fast response speed and can operate at low power.

본 명세서는 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 더 작은 사이즈와 더 낮은 전원 공급 전원에서 생기는 문제를 디지털 회로를 채용하고, 클락을 구동시키는 데 사용되는 전력을 최소화하여 전력 소모를 최소화하여 배터리 성능을 향상된 DLDO를 제안하고자 한다. 또한 외부의 다양한 환경 변수와 디바이스의 성능에 따른 전력 소모 변화에 능동적으로 대처할 수 있는 DLDO를 제안하고자 함이 목적이다.In order to solve the problems of the prior art as described above, this specification adopts a digital circuit to solve problems arising from a smaller size and lower power supply, and minimizes power consumption by minimizing the power used to drive the clock. We would like to propose DLDO with improved battery performance. Additionally, the purpose is to propose a DLDO that can actively respond to changes in power consumption according to various external environmental variables and device performance.

본 발명의 일 실시예에 따른 DLDO(Digital Low Dropout Regulator)의 동작 방법에 있어서, 복수의 PMOS가 포함된 PMOS Array가 출력 전압을 추출하고, 추출한 전압을 Window ADC로 전달하는 단계; 상기 Window ADC가 전달된 전압이 기설정된 전압 범위에 포함되는지 판단하고, 판단 결과에 기초하여 클락 신호를 발생시키고, 상기 전압을 PID(Proportional Integral Derivative control) Controller로 전달하는 단계; 상기 PID Controller는 상기 전압 및 목표 전압을 기설정된 Fuzzy Logic에 입력하여 최적의 PID Gain 값을 산출하는 단계; 상기 PID controller는 상기 산출한 최적의 PID Gain 값을 PID 연산에 적용하여 Correct 수치를 산출하는 단계; 및 상기 PID controller는 상기 Correct 수치를 상기 PMOS Array로 전송하여 상기 PMOS Array로부터 출력되는 전압을 조절하는 단계; 를 포함할 수 있다.A method of operating a Digital Low Dropout Regulator (DLDO) according to an embodiment of the present invention includes the steps of extracting an output voltage from a PMOS array including a plurality of PMOS and transferring the extracted voltage to a Window ADC; The Window ADC determines whether the delivered voltage is within a preset voltage range, generates a clock signal based on the determination result, and transmits the voltage to a PID (Proportional Integral Derivative control) Controller; The PID Controller calculates an optimal PID gain value by inputting the voltage and target voltage into a preset Fuzzy Logic; The PID controller calculates a Correct value by applying the calculated optimal PID gain value to PID operation; and the PID controller transmitting the Correct value to the PMOS array to adjust the voltage output from the PMOS array. may include.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 전원 공급이 안정적이면서 배터리의 지속 시간이 증가하므로, 상시 전력을 필요로 하는 웨어러블 디바이스의 기능을 안정적으로 향상시킬 수 있다. 또한, Digital로 구성되어 기존의 LDO보다 대비 무게 및 면적을 감소시킬 수 있어(경량화 가능), 작고 가벼운 웨어러블 디바이스 제조에 효과적으로 적용이 가능하다. According to an embodiment of the present invention, the power supply is stable and the battery life is increased, so the function of a wearable device that requires constant power can be stably improved. In addition, since it is composed of digital, it can reduce the weight and area compared to the existing LDO (possible to make it lighter), so it can be effectively applied to manufacturing small and light wearable devices.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, Dynamic PID 제어기를 이용하여 Latency에 좋은 효과를 보이면서도 정확한 출력 전압을 유지해준다는 효과가 있다. In addition, according to one embodiment of the present invention, the use of a dynamic PID controller has the effect of maintaining an accurate output voltage while showing a good effect on latency.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, Steady-State에서 발생하는 LCO(Limit Cycle Oscillation)가 발생하지 않기 때문에 출력 전압의 Ripple이 감소된다는 효과가 있다.Additionally, according to one embodiment of the present invention, the ripple of the output voltage is reduced because limit cycle oscillation (LCO) that occurs in the steady-state does not occur.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 외부 환경 변수와 디바이스의 상태에 따라 전력 소모 변화율을 감지하고, 감지된 변화에 따라 Gain 값을 능동적으로 변화시켜, 더욱 빠르고 안정적인 Power 공급을 할 수 있다는 효과가 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the rate of change in power consumption can be detected according to external environmental variables and the state of the device, and the gain value can be actively changed according to the detected change, resulting in faster and more stable power supply. There is.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 Dynamic PID 제어를 통한 Fully Synthesizable 고속 응답 Event Driven DLDO 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 PID Controller의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 Fuzzy Logic 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 Fuzzy Logic의 Fuzzy algorithm을 예시한 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 inference engine 단계를 도식화한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 Window ADC의 Schematic을 나타낸다.
도 7은 Auto Tuning PID 방식의 디지털 피드백 제어 및 Event driven 방식을 적용한 DLDO의 회로 Layout이다.
Figure 1 is a block diagram of a Fully Synthesizable high-speed response Event Driven DLDO through Dynamic PID control according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a block diagram of a PID Controller according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a Fuzzy Logic block diagram according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a flowchart illustrating the Fuzzy algorithm of Fuzzy Logic according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 is a diagram schematically illustrating the inference engine steps according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 shows the schematic of a Window ADC according to an embodiment of the present invention.
Figure 7 is a circuit layout of DLDO applying Auto Tuning PID type digital feedback control and Event driven method.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.The detailed description of the present invention described below refers to the accompanying drawings, which show by way of example specific embodiments in which the present invention may be practiced. These embodiments are described in sufficient detail to enable those skilled in the art to practice the invention. It should be understood that the various embodiments of the present invention are different from one another but are not necessarily mutually exclusive. For example, specific shapes, structures and characteristics described herein with respect to one embodiment may be implemented in other embodiments without departing from the spirit and scope of the invention. Additionally, it should be understood that the location or arrangement of individual components within each disclosed embodiment may be changed without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, the detailed description that follows is not intended to be taken in a limiting sense, and the scope of the invention is limited only by the appended claims, together with all equivalents to what those claims assert, if properly described. Similar reference numbers in the drawings refer to identical or similar functions across various aspects.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, in order to enable those skilled in the art to easily practice the present invention, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.

종래의 DLDO 기술에 따르면, PI와 Shift Register를 이용한 디지털 LDO로 고정된 파라미터를 사용하여, 제한된 제어 값만 출력했다. 본 명세서에서는, 이를 해결하기 위해, 상황에 따른 최적의 gain 값을 Machine learning의 기초 이론인 Fuzzy Algorithm 방식을 이용하고자 한다. 보다 상세하게는, Fuzzy Algorithm이 구현된 Fuzzy Block은 비교기에서 출력하는 오차값과 오차의 변화율을 입력 받은 후, 이를 기초로 내부 파라미터 값에 의한 Matrix 값을 결정할 수 있다. Matrix 값은 Fuzzy Algorithm 내에서 미리 설정된 규칙에 따라 5개의 상태 중 어느 하나의 상태/Level로 분류될 수 있으며, Fuzzy Block은 분류된 상태/Level에 대응하는 파라미터 값을 출력할 수 있다. Fuzzy Block으로부터 출력된 파라미터 값은 PID controller로 전송되며, PID controller는 수신한 파라미터 값을 기초로 자동 전압 조절을 위한 능동적인 PID compensator를 적용할 수 있다. 그 결과, 본 발명의 일 실시예에 따른 DLDO는 Latency에 좋은 효율을 보이면서도 정확한 출력 전압을 유지하는 성능을 발휘한다. According to the conventional DLDO technology, only limited control values were output using fixed parameters as a digital LDO using PI and Shift Register. In this specification, to solve this problem, we will use the Fuzzy Algorithm method, which is the basic theory of machine learning, to find the optimal gain value depending on the situation. More specifically, the Fuzzy Block, in which the Fuzzy Algorithm is implemented, can receive the error value and the rate of change of the error output from the comparator, and then determine the matrix value by the internal parameter value based on this. Matrix values can be classified into any one of five states/Levels according to preset rules within the Fuzzy Algorithm, and the Fuzzy Block can output parameter values corresponding to the classified states/Levels. The parameter values output from the Fuzzy Block are transmitted to the PID controller, and the PID controller can apply an active PID compensator for automatic voltage regulation based on the received parameter values. As a result, the DLDO according to an embodiment of the present invention exhibits good latency efficiency while maintaining an accurate output voltage.

또한, 본 발명은 Self Triggering, Load Current의 변화에 따라 효율적으로 클락을 발생(즉, 이벤트를 발생)시키는 Window ADC를 도입하여 종래의 DLDO 대비 의미없는 Power Loss가 발생하는 것을 방지하고, 전압 값을 벗어날 경우 클락을 다시 발생시키고, 특정 조건을 달성 시 클락을 멈추는 Event-Driven 방식의 detector(본 명세서에서 Window ADC)를 추가로 포함한다.In addition, the present invention prevents meaningless power loss from occurring compared to the conventional DLDO by introducing a Window ADC that efficiently generates a clock (i.e., generates an event) according to changes in self-triggering and load current, and increases the voltage value. It additionally includes an Event-Driven type detector (Window ADC in this specification) that re-generates the clock when it deviates and stops the clock when a specific condition is achieved.

본 명세서에서 제안하는 DLDO는 빠른 과도 응답과, 클락 제어 및 전력 관리 모듈에 관한 집적 설계된 회로로, 웨어러블 디바이스용 저전력 SoC(System on Chip) 형태로 사용될 수 있다. DLDO는 제어를 해주는 Dynamic gain controller와 클럭 제어용 Window ADC Event detector과 디지털 감지를 위한 ADC 및/또는 PMOS Array를 포함하여 구성될 수 있다. DLDO에 관한 보다 상세한 설명은 이하에서 각 도면을 참조하여 상세히 후술하기로 한다.The DLDO proposed in this specification is an integrated designed circuit with fast transient response, clock control, and power management modules, and can be used in the form of a low-power SoC (System on Chip) for wearable devices. DLDO can be configured to include a dynamic gain controller for control, a Window ADC Event detector for clock control, and an ADC and/or PMOS Array for digital detection. A more detailed description of DLDO will be provided below with reference to each drawing.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 Dynamic PID 제어를 통한 Fully Synthesizable 고속 응답 Event Driven DLDO 블록도이다. Figure 1 is a block diagram of a Fully Synthesizable high-speed response Event Driven DLDO through Dynamic PID control according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 명세서에서 제안하는 Event Driven DLDO(이하, 'DLDO)(100)는 MUX(101), PID Controller 모듈(102), Window ADC(103), Divider(104), SOC Generator(105), Test Serializer(106), FLASHA(107) 및/또는 PMOS Array(108)를 포함하여 구성될 수 있으며, 각 구성간 연결/동작 관계 및 입출력 신호는 본 도면에 도시된 바와 같다.Referring to Figure 1, the Event Driven DLDO (hereinafter referred to as 'DLDO) 100 proposed in this specification includes a MUX (101), a PID Controller module (102), a Window ADC (103), a Divider (104), and a SOC Generator ( 105), Test Serializer (106), FLASHA (107), and/or PMOS Array (108), and the connection/operation relationship and input/output signals between each component are as shown in this figure.

Analog LDO는 저전력 모듈에서 요구되는 NTV(Near Threshold Voltage) 저전압 동작 및 공정에 따른 size scaling이 어렵다. 이에 반해, 본 명세서에서 제안하는 DLDO(100)는 NTV 조건에서 동작이 가능한 DVFS 구조를 채택하였고, 디지털 회로로 구성 가능하고, 이에 따라 공정별 size scaling이 가능하므로, MCU와 함께 SoC 집적이 가능하다는 장점을 갖는다.It is difficult for Analog LDO to operate at the NTV (Near Threshold Voltage) low voltage required in low-power modules and to scale its size according to the process. On the other hand, the DLDO (100) proposed in this specification adopts a DVFS structure that can operate under NTV conditions, can be configured as a digital circuit, and size scaling for each process is possible accordingly, so SoC integration with MCU is possible. It has advantages.

이에 더하여, 일반적인 PID Compensation, Shift-resistor logic 기반 출력 전압 Regulation이 아닌 Fuzzy Logic을 결합한 PID 방식의 더 빠르고 안정적인 Compensation이 가능한 구조를 제안한다.In addition, we propose a structure that enables faster and more stable compensation using a PID method that combines fuzzy logic rather than general PID compensation and shift-resistor logic-based output voltage regulation.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 PID Controller 모듈 블록도이다. 보다 상세하게는, 도 2는 Dynamic PID Digital Controller 모듈을 나타내는 것으로 Gain Control Algorithm을 이용한 Fast Settling Time 구현을 나타내고 있다. Figure 2 is a PID Controller module block diagram according to an embodiment of the present invention. More specifically, Figure 2 shows the Dynamic PID Digital Controller module and shows Fast Settling Time implementation using the Gain Control Algorithm.

도 2를 참조하면, PID controller 모듈(102)은 기설정된 Fuzzy Algorithm을 수행하는 Fuzzy logic tunner(201), MUX(204), Fuzzy PID Controller(205), FSM 및/또는 Derivative logic을 포함하여 구성될 수 있다. 각 구성간 연결/동작 관계 및 입출력 신호는 본 도면에 도시된 바와 같다.Referring to FIG. 2, the PID controller module 102 is configured to include a Fuzzy logic tuner (201), MUX (204), Fuzzy PID Controller (205), FSM and/or Derivative logic that perform a preset Fuzzy Algorithm. You can. The connection/operation relationship and input/output signals between each component are as shown in this drawing.

Dynamic Gain Control 구현을 위하여 Matlab을 통해 최적 Settling Time, Stability의 K_(P, I, D)(즉, K_p(propagate gain), K_i(integrate gain) 및 K_d(derivate gain))이 획득될 수 있고, 계산 과정 최소화를 통한 Fast Settling Time이 구현되며, 주기적 Gain Update를 통해 Overshoot 및 Undershoot이 최소화될 수 있다. 또한, 제안되는 Dynamic Gain Control은 Fixed Gain Control 방식에 비해 Stability, Settling Time이 개선될 수 있다.To implement Dynamic Gain Control, the optimal Settling Time and Stability K_(P, I, D) (i.e. K_p (propagate gain), K_i (integrate gain), and K_d (derivate gain)) can be obtained through Matlab. Fast settling time is realized by minimizing the calculation process, and overshoot and undershoot can be minimized through periodic gain updates. Additionally, the proposed Dynamic Gain Control can improve stability and settling time compared to the Fixed Gain Control method.

이에 추가로, PID Gain Control은 외부 control 장치로 구현되고, 현재 전압(또는 Window ADC로부터 전달된 전압)과 목표 전압간의 오차값 및 오차의 미분 값을 통해 Load Condition이 결정될 수 있다. Heavy, Moderate, Light는 결정 범위가 제한된 K_(P, I, D) set으로 결정 가능하며, 이에 앞서 Matlab으로 결정한 Stability Figure of Merit에 따라 결정된 최적의 K_(P, I, D)가 PID에 입력/적용될 수 있다. 최적의 K_(P, I, D)가 적용된 PID는 PMOS Array를 제어하여 목표 전압에 보다 빠르고 효율적으로 도달할 수 있다. In addition, PID Gain Control is implemented as an external control device, and the load condition can be determined through the error value and the differential value of the error between the current voltage (or voltage delivered from Window ADC) and the target voltage. Heavy, Moderate, and Light can be determined with a K_(P, I, D) set with a limited decision range, and the optimal K_(P, I, D) determined according to the Stability Figure of Merit previously determined in Matlab is input to the PID. /may be applied. PID with optimal K_(P, I, D) can control the PMOS array to reach the target voltage more quickly and efficiently.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 Fuzzy Logic 블록도이다.Figure 3 is a Fuzzy Logic block diagram according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, Fuzzy Logic(301)은 Fuzzy logic tunner(201), Fuzzy PID controller(205) 및 Process(303)를 포함하여 구성될 수 있다. Fuzzy Logic(301)에 따른 Fuzzy Algorithm의 매개변수는 Fuzzy logic tunner(201)를 사용하여 자동으로 조절될 수 있다. Fuzzy logic tunner(201)에 대한 입력은 Window ADC로부터 전달받은 전압(y(t))과 목표 전압(r(t))간의 오차 값(e(t)) 및 오차(e(t))의 미분 값이며, Fuzzy PID controller(205)에 대한 출력으로는 본 도면에 예시한 바와 같이 ΔKp, ΔKi, ΔKd일 수 있다. 오차 값의 변화율에 따라 매개변수가 변경되기 때문에 더 빠르게 목표 전압으로 도달할 수 있다는 효과가 있다.Referring to FIG. 3, Fuzzy Logic (301) may be comprised of a Fuzzy logic tuner (201), Fuzzy PID controller (205), and Process (303). The parameters of the Fuzzy Algorithm according to Fuzzy Logic (301) can be automatically adjusted using the Fuzzy logic tuner (201). The input to the fuzzy logic tuner (201) is the error value (e(t)) and the differential of the error (e(t)) between the voltage (y(t)) received from the Window ADC and the target voltage (r(t)). It is a value, and the output to the Fuzzy PID controller (205) may be ΔKp, ΔKi, and ΔKd as illustrated in this figure. Because the parameters change according to the rate of change of the error value, the target voltage can be reached more quickly.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 Fuzzy Logic의 Fuzzy algorithm을 예시한 순서도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 inference engine 단계를 도식화한 도면이다.FIG. 4 is a flowchart illustrating the Fuzzy algorithm of Fuzzy Logic according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a diagram illustrating the inference engine steps according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, Fuzzy Algorithm은 Fuzzification(S401), Inference Engine(S402) 및 Defuzzification(S403), 이렇게 크게 3가지 단계로 구성될 수 있다.Referring to Figure 4, the Fuzzy Algorithm can be comprised of three major steps: Fuzzification (S401), Inference Engine (S402), and Defuzzification (S403).

우선, 첫 번째 단계인 fuzzification 단계(S401)는 초기 입력 값(Crisp input)들이 기설정된 Fuzzy 규칙에 의해 각각의 fuzzy 입력 값으로 변환되는 단계이다. 여기서 초기 입력 값(Crisp input)은 Window ADC로부터 전달받은 전압(y(t))과 목표 전압(r(t))간의 오차 값(e(t)) 및 오차(e(t))의 미분 값에 해당할 수 있다. First, the first step, the fuzzification step (S401), is a step in which initial input values (Crisp input) are converted into individual fuzzy input values according to preset fuzzy rules. Here, the initial input value (Crisp input) is the error value (e(t)) between the voltage (y(t)) received from the Window ADC and the target voltage (r(t)) and the differential value of the error (e(t)). It may apply to

다음으로, 두 번째 단계인 inference engine 단계(S402)는 앞선 과정에서 구한 입력 값을 이용하여 결과를 추론하는 단계에 해당한다. 예를 들어, 도 5에 도시한 바와 같이, Fuzzy 입력 값이 fuzzy 규칙에 의해 어느 레벨로 분류되는지를 결정할 수 있다. 총 5가지의 레벨이 존재할 수 있으며, 5가지 레벨은 Negative Big(NB), Negative small(NS), Zero error(ZE), Positive small(PS) 및 Positive big(PB)을 포함할 수 있다. Next, the second step, the inference engine step (S402), corresponds to the step of inferring the result using the input value obtained in the previous process. For example, as shown in FIG. 5, it is possible to determine to which level the fuzzy input value is classified by the fuzzy rule. There may be a total of 5 levels, and the 5 levels may include Negative Big (NB), Negative small (NS), Zero error (ZE), Positive small (PS), and Positive big (PB).

마지막으로 세 번째 단계인 Defuzzification 단계(S403)는 Fuzzy 규칙에 의해 Fuzzy 추론한 Fuzzy 출력 값을 Crisp한 결과값으로 비퍼지화(즉, 암호를 푸는 작업)하는 단계에 해당한다. 3단계(S401~S403) 동작 수행에 따라 결과 값으로 각 게인별 변화량인 ΔKp, ΔKi 및 ΔKd 값이 출력될 수 있다. Lastly, the third step, the Defuzzification step (S403), corresponds to the step of defuzzifying (i.e., decrypting) the fuzzy output value inferred according to the Fuzzy rule into the result of Crisp. Depending on the performance of step 3 (S401 to S403), the change values for each gain, ΔKp, ΔKi, and ΔKd, can be output as result values.

Fuzzy PID controller는 Fuzzy Logic으로부터 수신한 게인 변화량인 ΔKp, ΔKi 및 ΔKd 값 중 적어도 하나를 이용하여 PID 연산을 수행, correct 수치를 산출/획득할 수 있다. correct 수치는 window ADC로부터 수신한 전압 수치(즉, 현재 전압 수치)가 목표 전압의 수치에 도달하도록(또는 Error 수치가 0이 되도록) 현재 전압 수치를 보정한 값에 해당한다.Fuzzy PID controller can perform PID operation using at least one of the ΔKp, ΔKi, and ΔKd values, which are the gain changes received from Fuzzy Logic, and calculate/obtain the correct value. The correct value corresponds to a value that corrects the current voltage value so that the voltage value (i.e., the current voltage value) received from the window ADC reaches the target voltage value (or the error value becomes 0).

이렇게 산출/획득된 correct 수치는 PMOS Array에 입력될 수 있고, PMOS Array에서는 입력되는 correct 수치에 기초하여 전술한 복수의 그룹 중 특정 그룹에 포함된 복수의 PMOS들이 on 상태가 됨으로써 correct 수치에 해당하는 보정된 전압이 추출될 수 있다.The correct value calculated/obtained in this way can be input to the PMOS Array, and in the PMOS Array, a plurality of PMOSs included in a specific group among the plurality of groups described above are turned on based on the input correct value, thereby displaying the correct value. The corrected voltage can be extracted.

PMOS Array의 PMOS들은 복수의 그룹으로 구분될 수 있고, 각 그룹에는 소정 개수의 PMOS가 존재할 수 있다. 예를 들어, K 그룹에는 PMOS의 개수가 2k-1개 존재할 수 있어, 제1 그룹에는 PMOS 1개, 제2 그룹에는 PMOS 2개, 제3 그룹에는 PMOS 4개, … 제8 그룹에는 PMOS 128개가 존재할 수 있다.PMOSs in a PMOS array can be divided into multiple groups, and each group can have a certain number of PMOSs. For example, there may be 2k-1 PMOS in the K group, so the first group has 1 PMOS, the second group has 2 PMOS, the third group has 4 PMOS,... There may be 128 PMOS in the 8th group.

구체적으로, 초기에는 PMOS Array의 모든 PMOS에서 off 상태에 해당하고, PMOS Array로부터 출력되는 전압은 '0'에 해당할 수 있다. 상기 전압이 기설정 범위에 해당하지 않아 이벤트가 생성되면, PID compensator에서 correct 수치가 생성되어 PMOS Array에 입력될 수 있다.Specifically, initially, all PMOS in the PMOS array may correspond to an off state, and the voltage output from the PMOS array may correspond to '0'. If an event is generated because the voltage does not fall within the preset range, a correct value can be generated from the PID compensator and input into the PMOS array.

다음으로, PMOS Array에서는 correct 수치에 대응되도록 PMOS Array에서의 특정 그룹에 포함된 복수의 PMOS를 on 상태로 변경할 수 있다. 예를 들어, correct[7:0] 수치가 10010110이라고 가정될 때, 해당 값은 27+24+22+21에 해당할 것이다.Next, in the PMOS Array, a plurality of PMOS included in a specific group in the PMOS Array can be changed to the on state to correspond to the correct value. For example, assuming that correct[7:0] is 10010110, the value would correspond to 2 7 +2 4 +2 2 +2 1 .

10010110와 대응되도록 PMOS가 on 상태로 변경될 수 있고, 제2 그룹, 제3 그룹, 제5 그룹, 제7 그룹에 포함된 PMOS들이 on 상태로 변경될 수 있다(나머지는 off 상태 그대로). 결국, correct 수치에 대응하는 전압이 출력되도록 PMOS Array에서는 PMOS의 on/off 상태를 조정할 수 있고, 이에 따라 조정된 전압이 출력될 수 있다.The PMOS may be changed to the on state to correspond to 10010110, and the PMOSs included in the second group, third group, fifth group, and seventh group may be changed to the on state (the rest remain in the off state). Ultimately, the on/off state of the PMOS can be adjusted in the PMOS array so that a voltage corresponding to the correct value is output, and the adjusted voltage can be output accordingly.

위와 같이, 본 발명의 DLDO에서는 출력 전압을 감지하여 PID controller에서 목표 전압에 해당하도록 조정할 수 있고, 조정된 전압은 PMOS Array에서 출력될 수 있다. 이와 같은 과정이 반복되면서 Latency에 좋은 효율을 보이면서 정확한 출력 전압을 유지할 수 있다.As above, in the DLDO of the present invention, the output voltage can be detected and adjusted to correspond to the target voltage in the PID controller, and the adjusted voltage can be output from the PMOS array. As this process is repeated, accurate output voltage can be maintained while showing good efficiency in latency.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 Window ADC의 Schematic을 나타낸다. Figure 6 shows the schematic of a Window ADC according to an embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, Vin 값이 VREFH 보다 작으면 COMP_N 값이 0을, VREFL 값보다 크다면 COMP_P 값이 0을 각각 출력하게 된다. 만일, Vin 값이 이 두 값(VREFL, VREFH) 사이에 존재한다면 OR gate를 통해 0이 출력되고, 이는 CLK gating 부분으로 입력되어 And gate 출력으로 항상 0을 출력하기 때문에 클락을 OFF 시키게 된다. 즉, Window ADC는 현재 전압이 VREFL 및 VREFH 사이에 존재하는 경우(즉, 전압이 VREFL보다 크거나 같고, VREFH보다 작거나 같은 경우) 이벤트(클락 신호 발생 이벤트, 전압 조절 이벤트)를 발생시키지 않고, 현재 전압이 VREFL보다 작거나 VREFH보다 큰 경우에는 이벤트를 발생시킬 수 있다. Referring to FIG. 6, if the Vin value is less than VREFH, the COMP_N value is output as 0, and if the Vin value is greater than the VREFL value, the COMP_P value is output as 0. If the Vin value is between these two values (VREFL, VREFH), 0 is output through the OR gate, which is input to the CLK gating part and always outputs 0 through the And gate output, turning the clock OFF. In other words, Window ADC does not generate events (clock signal generation event, voltage regulation event) if the current voltage exists between VREFL and VREFH (i.e., the voltage is greater than or equal to VREFL and less than or equal to VREFH). An event can be generated if the current voltage is less than VREFL or greater than VREFH.

따라서, VREFL 및 VREFH 사이의 전압 범위는 안정 상태로서, PMOS Array에서 출력된 전압이 상기 전압 범위에 포함된 경우에는, DLDO의 출력 전압이 안정 상태(즉, 목표 전압 범위에 해당)로서 별도의 추가 조치나 이벤트를 발생시키지 않게 된다. Therefore, the voltage range between VREFL and VREFH is in a stable state, and if the voltage output from the PMOS Array is included in the above voltage range, the output voltage of DLDO is in a stable state (i.e., corresponding to the target voltage range) and must be added separately. No action or event will occur.

반대로, VREFL 및 VREFH 사이의 전압 범위를 벗어난 경우는 불안정 상태로서, Window ADC는 클럭 신호를 발생시켜 PID controller의 동작을 개시할 수 있다. Conversely, if the voltage range between VREFL and VREFH is outside, it is an unstable state, and the Window ADC can initiate the operation of the PID controller by generating a clock signal.

Window ADC는 현재 전압이 기설정 전압 범위(VREFL 및 VREFH 사이)에 포함된 안정 상태에 해당하여 이벤트가 생성되지 않은 경우에는 클락을 일시적으로 정지시켜서 전력 소모를 줄일 수 있다. 물론, 외부의 입력 등에 따라 전압이 변하게 되는 경우 다시 클락을 발생시킬 수 있다. 이는 웨어러블 디바이스 등에 요구되는 경량화, 배터리 성능 향상 등에 효과적일 수 있다.Window ADC can reduce power consumption by temporarily stopping the clock when the current voltage is in a stable state within the preset voltage range (between VREFL and VREFH) and no events are generated. Of course, if the voltage changes depending on external input, etc., the clock can be generated again. This can be effective in reducing weight and improving battery performance, which are required for wearable devices.

도 7은 Auto Tuning PID 방식의 디지털 피드백 제어 및 Event driven 방식을 적용한 DLDO의 회로 Layout이다. Figure 7 is a circuit layout of DLDO applying Auto Tuning PID type digital feedback control and Event driven method.

도 7을 참조하면, DLDO는 ADC block(103), Dynamic PID Controller 모듈(102), PMOS Array(108) 및 Cap Array(701) 중 적어도 하나를 포함하여 구성될 수 있으며, 웨어러블 디바이스 특성에 맞게 매우 작은 사이즈/무게의 SoC 형태로 제작 가능하다. 예를 들어, Die 면적은 가로 1,800um, 세로로 1,200um이다. 예를 들어, 각 블록의 면적은 Dynamic PID controller 모듈(102)은 가로세로 180x180 (um)^2, ADC는 390x435 (um)^2, PMOS Array는 400x135(um)^2이다. Referring to FIG. 7, the DLDO may be configured to include at least one of an ADC block (103), Dynamic PID Controller module (102), PMOS Array (108), and Cap Array (701), and can be configured to suit the characteristics of the wearable device. It can be manufactured in SoC form with a small size/weight. For example, the die area is 1,800um horizontally and 1,200um vertically. For example, the area of each block is 180x180 (um)^2 for the Dynamic PID controller module 102, 390x435 (um)^2 for the ADC, and 400x135 (um)^2 for the PMOS Array.

Claims (6)

DLDO(Digital Low Dropout Regulator)의 동작 방법에 있어서,
복수의 PMOS가 포함된 PMOS Array가 출력 전압을 추출하고, 추출한 전압을 Window ADC로 전달하는 단계;
상기 Window ADC가 전달된 전압이 기설정된 전압 범위에 포함되는지 판단하고, 판단 결과에 기초하여 클락 신호를 발생시키고, 상기 전압을 PID(Proportional Integral Derivative control) Controller로 전달하는 단계;
상기 PID Controller는 상기 전압 및 목표 전압을 기설정된 Fuzzy Logic에 입력하여 최적의 PID Gain 값을 산출하는 단계;
상기 PID controller는 상기 산출한 최적의 PID Gain 값을 PID 연산에 적용하여 Correct 수치를 산출하는 단계; 및
상기 PID controller는 상기 Correct 수치를 상기 PMOS Array로 전송하여 상기 PMOS Array로부터 출력되는 전압을 조절하는 단계; 를 포함하는, DLDO의 동작 방법.
In the operation method of DLDO (Digital Low Dropout Regulator),
A PMOS array containing a plurality of PMOS extracts an output voltage and transmits the extracted voltage to the Window ADC;
The Window ADC determines whether the delivered voltage is within a preset voltage range, generates a clock signal based on the determination result, and transmits the voltage to a PID (Proportional Integral Derivative control) Controller;
The PID Controller calculates an optimal PID gain value by inputting the voltage and target voltage into a preset Fuzzy Logic;
The PID controller calculates a Correct value by applying the calculated optimal PID gain value to PID operation; and
The PID controller transmits the Correct value to the PMOS array to adjust the voltage output from the PMOS array; DLDO operation method, including.
제 1 항에 있어서,
상기 PID Gain 값을 산출하는 단계는, 상기 Fuzzy Logic이:
상기 전압 및 상기 목표 전압 사이의 오차 값 및 오차의 미분 값을 입력받는 단계;
상기 오차 값 및 오차의 미분 값을 기설정된 Fuzzy 규칙에 따라 Fuzzy 입력 값으로 변환하는 단계;
상기 Fuzzy 입력 값을 상기 Fuzzy 규칙에 따라 기설정된 레벨 중 어느 하나로 분류하는 단계;
분류된 단계를 상기 Fuzzy 규칙에 따라 Crisp한 결과 값으로 비퍼지화하여 상기 PID Gain 값을 산출하는 단계; 를 포함하는, DLDO의 동작 방법.
According to claim 1,
In the step of calculating the PID Gain value, the Fuzzy Logic is:
receiving an error value and a differential value of the error between the voltage and the target voltage;
Converting the error value and the differential value of the error into a Fuzzy input value according to a preset Fuzzy rule;
Classifying the fuzzy input value into one of preset levels according to the fuzzy rule;
Calculating the PID Gain value by defuzzifying the classified steps with the result of Crisp according to the Fuzzy rule; DLDO operation method, including.
제 2 항에 있어서,
상기 기설정된 레벨은, Negative Big(NB), Negative small(NS), Zero error(ZE), Positive small(PS) 및 Positive big(PB)을 포함하는, DLDO의 동작 방법.
According to claim 2,
The preset level includes Negative Big (NB), Negative small (NS), Zero error (ZE), Positive small (PS), and Positive big (PB).
제 2 항에 있어서,
상기 PID Gain 값은,
Kp(propagate gain) 값의 변화량, Ki(integrate gain) 값의 변화량 및 Kd(derivate gain) 값의 변호량 중 적어도 하나에 해당하는, DLDO의 동작 방법.
According to claim 2,
The PID Gain value is,
A method of operating DLDO that corresponds to at least one of the change in Kp (propagate gain) value, the change in Ki (integrate gain) value, and the change in Kd (derivate gain) value.
제 1 항에 있어서,
상기 PMOS Array는 복수의 그룹으로 구분되고, K 그룹에 PMOS의 개수가 2k-1개 존재하는 상태에서,
상기 PMOS Array는 상기 PID controller로부터 전송되는 상기 correct 수치에 기초하여 특정 그룹에 포함된 복수의 PMOS들을 on 시키는 단계; 를 더 포함하는, DLDO의 동작 방법.
According to claim 1,
The PMOS Array is divided into a plurality of groups, and with the number of PMOS in the K group being 2k-1,
turning on, in the PMOS array, a plurality of PMOS included in a specific group based on the correct value transmitted from the PID controller; A method of operating DLDO, further comprising:
DLDO(Digital Low Dropout Regulator) 장치에 있어서,
복수의 PMOS가 포함되고, 출력 전압을 추출하여 Window ADC로 전달하는, PMOS Array;
전달받은 전압이 기설정된 전압 범위에 포함되는지 판단하고, 판단 결과에 기초하여 클락 신호를 발생시키고, 상기 전압을 PID(Proportional Integral Derivative control) Controller로 전달하는, Window ADC; 및
상기 전압 및 목표 전압을 기설정된 Fuzzy Logic에 입력하여 최적의 PID Gain 값을 산출하고, 산출한 최적의 PID Gain 값을 PID 연산에 적용하여 Correct 수치를 산출하고, 상기 Correct 수치를 상기 PMOS Array로 전송하여 PMOS Array로부터 출력되는 전압을 조절하는, PID Controller; 를 포함하는, DLDO 장치.
In the DLDO (Digital Low Dropout Regulator) device,
PMOS Array, which includes a plurality of PMOS and extracts the output voltage and transfers it to the Window ADC;
A Window ADC that determines whether the received voltage is within a preset voltage range, generates a clock signal based on the determination result, and transmits the voltage to a PID (Proportional Integral Derivative control) Controller; and
Input the voltage and target voltage into the preset Fuzzy Logic to calculate the optimal PID Gain value, apply the calculated optimal PID Gain value to PID operation to calculate the Correct value, and transmit the Correct value to the PMOS Array. PID Controller, which controls the voltage output from the PMOS Array; DLDO device, including.
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