KOKY031A April   2021  – September 2021 BQ25125 , LM5123-Q1 , TPS22916 , TPS3840 , TPS62840 , TPS63900 , TPS63901 , TPS7A02

 

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저 IQ 장애물을 무너뜨리는 방법

IQ를 최적화하려면 충돌하는 여러 설계 과제를 해결해야 합니다. 과도 응답, 잡음 및 정확도에서 모든 중요한 성능 사양을 충족하는 동시에 IQ를 몇 배나 줄여야 합니다. 성능 사양의 장단점을 평가하기 전에 전체 출력 부하 범위에 대한 IQ 및 전력 손실을 정량화해야 합니다. DC/DC 스위칭 컨버터의 경우 과부하 전류에서는 전력 효율을, LDO의 경우 과부하 전류에서는 전류 효율을 살펴보십시오.

예를 들어, 그림 10은 TI의 TPS63900 벅 부스트 컨버터와 경쟁 제품의 효율성을 보여줍니다. TPS63900의 효율성은 60 이상의 부하 전류에서 80% 이상을 유지하며, 1µA부터 시작하여 최고 효율 96%까지 도달합니다.

GUID-20210902-SS0I-3WBK-LRR2-KCRGJNSGPMWQ-low.gif 그림 9 2D 단면(a) 및 레이아웃 뷰(b)의 산화물 박리 유도 기생 저 VT.
GUID-20210902-SS0I-ZBGB-9Z3Z-PQP6SLDML8FN-low.gif 그림 10 TPS63900(a) 및 경쟁 제품(b)의 효율성. (출처: TI 및 경쟁사 데이터 시트)

과도 응답 문제 해결

과도 응답 개선의 핵심은 최상의 토폴로지부터 시작하는 것입니다. 예를 들어 TPS61094는 저 IQ와 빠른 과도 응답을 지원합니다. TPS61094는 양방향 벅-부스트 컨버터로, 슈퍼 커패시터 충전(벅)과 슈퍼 커패시터 방전(부스트) 모드에서 60 nA라는 저 IQ를 갖습니다. The TPS61094는 어느 시점에서나 과도 성능을 최적화할 수 있도록 출력부에서 dv/dt 기울기를 모니터링하고 조절 행동을 조정합니다. 이를 통해 저 IQ를 유지하면서 동시에 출력 압력 저하를 신속하게 감지할 수 있습니다. 그에 따라 TPS61094이 백업 전력을 지원하기 시작하거나 피크 부하가 슈퍼 커패시터에서 지원하기 시작할 때 출력 전압이 거의 일정하게 유지됩니다.

전류 소비 블록 수를 최대한 줄여야 하므로 토폴로지가 단순할수록 좋습니다. 예를 들어, IQ가 75nA인 TPS63900 4스위치 벅 부스트 컨버터는 단일 모드를 사용하여 입력 레벨보다 높거나 낮거나 같도록 출력 전압을 조절합니다. 핵심 아키텍처 외에도, 낮은 부하에 진입할 때 샘플 앤 홀드 기술을 사용하면 모든 내부 지원 기능의 ISHDN이 최소화됩니다.

제로 전류 피드백 분할기, 디지털 보조 제어 및 동적 바이어싱으로 훨씬 더 많은 전류를 절약할 수 있습니다.
동적 바이어싱은 잘 알려진 기술이지만 몇 나노암페어만으로 기술을 작동하게 되면 문제가 생깁니다. 낮은 바이어스 전류에서 게인 하락을 피하기 위해, 바이어스 전류의 함수로써 트랜스컨덕턴스와 출력 저항을 최적으로 형성하면 IQ 효율적인 상수 게인 증폭기가 달성됩니다.

또 다른 기술은 빠른 시동 회로를 사용합니다. 샘플 및 홀드 레퍼런스 시스템의 시작 시간을 줄임으로써 밴드갭 코어 및 스케일링 증폭기 회로의 시간이 크게 감소됩니다. 이렇게 하면 온-오프 시간 비율이 개선되어 평균 전류가 나노암페어 범위에서 감소하면서 동시에 잡음과 정확도 수준을 유지할 수 있습니다.

라인 과도 응답을 개선하기 위해 에너지 효율적인 방법으로 전압 조정 루프에 피드 포워드 기법이 적용됩니다. 과도 감지 회로를 사용하여 바이어스 전류를 조정하거나 회로를 추가로 활성화하면 출력과 정착 시간에서 전압 강하가 모두 감소합니다.

그림 11은 TPS63900에서 이러한 기법의 적용을 보여줍니다. 라인 과도는 출력 전압에서 스위칭 리플보다 훨씬 아래에 거의 보이지 않는 반면, 다른 장치들은 100mV의 변화를 보여줍니다.

GUID-20210902-SS0I-FDM5-X1G6-RMN5GJ4D6XZM-low.gif 그림 11 VIN = 2.5V ~ 4.2V, VOUT = 3.3V, IOUT = 1mA인 상태에서 라인 과도 응답: TPS63900(a); 경쟁 장치(b).

스위칭 잡음 문제 해결

고정밀 데이터 애플리케이션을 설계할 때, 특히 높은 출력 전압 리플을 생성하는 과도 버스트가 있는 절전 모드에서 DC/DC 변환기의 스위칭 잡음을 제어하는 것이 우선입니다. 리플을 줄이는 한 가지 방법은 스위칭 사이클에서 출력으로 전송되는 에너지 패키지를 최소화하는 것입니다. 하지만 그것으로 충분하지 않다면 어떻게 해야 할까요?

IQ가 60nA인 TPS62840 벅 컨버터에는 전류 스위칭 사이클 후 레귤레이터 스위칭을 즉시 중지하는 STOP 핀이 있어 완전한 스위칭 무음 창이 열립니다(그림 12 참조).

GUID-20210902-SS0I-ZBZ1-ZXZK-5PP8WKFTRBKX-low.gif 그림 12 STOP 핀 기능으로 이루어진 TPS62840의 제로 스위칭 잡음.

기타 잡음 문제 해결

스위칭 잡음 외에도 0.1Hz~100kHz 범위의 열 잡음 및 플리커 잡음 구성 요소를 포함하는 연속적인 자체 잡음은 더 낮은 IQ 바이어싱에서 문제가 됩니다. 레퍼런스는 일반적으로 가장 잡음에 기여하는 가장 큰 요소이기 때문에 전압과 전류 레퍼런스를 모두 생성하기 위해 샘플 및 홀드 기법의 통합 버전을 선택하면 장치 수명 동안 영역, 잡음, xIQ 및 강력한 성능(드라이프 없음) 간에 최고의 절충이 가능합니다. 샘플 및 홀드 회로의 단점은 이로 인해 작은 리플 오류가 생성된다는 것입니다.

그림 13은 생성된 글리치가 해당 레귤레이터의 잡음 플로어 내에 잘 들어가도록 샘플 앤 홀드 작동을 최적화하는 TI의 정밀 디지털-아날로그 변환기(DAC) 및 작동 증폭기 제품군을 사용한 설계를 보여줍니다. 이러한 기술 중 일부는 TPS7A02 LDO 설계에서 글리치 및 원치 않는 톤을 제거하기 위해 사용됩니다. 그림 14와 같이 TPS7A02 장치의 샘플 앤 홀드 잡음 셰이핑은 10~100Hz 주파수 대역에서 통합 잡음을 40% 이상 감소시킵니다.

https://www.ti.com/lit/pdf/TIDU022 GUID-20210902-SS0I-WDJG-SRX3-VKJFGBDCBST2-low.gif 그림 13 개별 샘플 앤 홀드 DAC 시스템.
GUID-20210902-SS0I-Z9RD-WHNW-GLTL3HNGFWHX-low.gif 그림 14 TPS7A02의 샘플 앤 홀드 레퍼런스를 사용한 잡음 스펙트럼과 사용하지 않은 스펙트럼. (출처: TPS7A02에서 TI 내부 실리콘 측정)

다이 크기 및 솔루션 영역 문제 해결

나노 전력 레귤레이터에서 가장 큰 영역 블록 중 하나는 1~10nA 바이어스 레그를 만드는 역할을 하는 전류 레퍼런스입니다. 전류 레퍼런스 블록 내의 전류 바이어스 생성 영역은 저항 구성 요소가 지배합니다. 값이 작은 저항기에 더 작은 전압 바이어스를 적용하면 저항 값이 감소합니다. 하나의 기술은 레퍼런스 바이어스 전류를 형성할 때 ΔVgst/R 또는 ΔVbe/R 회로를 생성합니다.

그림 15는 거의 0에 가까운 온도 계수 바이어스 전류를 영리하게 구현하여 R1 및 Rbias 저항에 걸쳐 전압 바이어스가 작은 양의 계수 및 음의 계수 바이어스 전류를 생성하는 것을 보여줍니다.

GUID-20210902-SS0I-XRD7-GZLG-PZLC1HHJXV3G-low.gif 그림 15 낮은 영역 1nA 전류 레퍼런스의 회로 다이어그램.

이러한 기술을 통해 패시브 영역을 낮추고 다이 영역을 효과적으로 줄일 수 있습니다. IQ 곱하기 최소 패키지 영역 FOM은 이러한 기법의 영역 효율성을 비교하는 가장 좋은 방법입니다. TPS7A02 장치는 2019년 1mm x 1mm DQN(Dual Flat No Lead) 패키지로 출시되었으며, 웨이퍼 칩스케일 패키지(WCSP)는 2021년에 출시되었습니다. 이 LDO는 10nA mm2 미만으로 업계 최저 수준의 IQ 패키지 영역 효율 FOM을 자랑합니다. 그림 16은 TPS7A02에 대해 제공되는 DQN 및 WCSP 패키지와 일반적인 0402 커패시터를 나란히 비교한 것을 보여줍니다.

GUID-20210902-SS0I-0G6K-ZVFN-RJV6HCXV2G6W-low.gif 그림 16 DQN 패키지, 0402 커패시터 및 WCSP 패키지에서 TPS7A02의 크기를 나란히 비교.

공급 전압 통제기에 유사한 영역 감소 기술을 적용할 때 주요 과제는 10V 이상의 전압을 감지하는 방법과 여전히 0.5µA 이상의 IQ 레벨을 달성하는 것입니다. 모니터링 대상 전압의 정전식 감지는 샘플 앤 홀드 기술과 결합하여 다이 영역을 줄이고 응답 시간을 향상시킬 수 있습니다. TPS3840 나노 전력 고입력 전압 통제기는 IQ가 350nA 미만으로, 10V 레일을 직접 모니터링하면서 15μs의 재설정 전파 지연을 달성합니다.

보드 영역을 절약하는 가장 강력한 방법 중 하나는 더 많은 기능을 단일 다이에 통합하는 것입니다. 이러한 통합을 통해 통제기, 레퍼런스 시스템, LDO, 배터리 충전기 및 DC/DC 변환기와 같은 블록이 공통 구성 요소를 공유하는 동시에 결합된 IQ를 줄일 수 있습니다. 그림 17은 배터리 충전 관리 IC인 BQ25125가 I2C로 여러 저 IQ 기능을 통합하고 유연하게 제어하는 기능을 통해 전체 전원 관리 시스템을 웨어러블, 미터링 및 차량용 센서 IoT 애플리케이션에 활용할 수 있는 주요 이점을 제공합니다.

GUID-20210902-SS0I-RVCT-RMG8-1JKG4LZQBFX3-low.gif 그림 17 나노암페어 충전기 시스템의 시스템 수준 다이어그램.

누출 및 하위 임계값 작동 문제 해결

TI 전력 프로세스 기술은 최적화된 저전력 설계 구성 요소를 갖추고 있습니다. 새로운 회로 기법과 결합된 고밀도 저항과 커패시터는 IQ 및 다이 영역 모두를 줄일 수 있습니다. 전력 FET와 디지털 로직은 저유출 트랜지스터를 제공하는 동시에 속도에 최적화되므로 ISHDN과 영역이 독점적으로 손상되지는 않습니다. 또한 그림 18에 나와 있듯이 저 VGS-VT 수준에서 하위 임계값 작동의 정확한 모델링을 통해 피코암페어/마이크로미터 바이어싱 레벨까지 안정적으로 작동할 수 있습니다.

GUID-20210902-SS0I-BL7Z-6PCK-84K8WT7S4NBS-low.gif 그림 18 시그마 IDS 백분율 불일치와 VGS-VT 비교.