선형 레귤레이터 제어를 갖는 펄스 주파수 변조 전압레귤레이터 document_id A220623029873

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.