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

 

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저 IQ가 또다른 어려움으로 이어지는 이유

IQ를 줄이는 것이 어려운 이유 중 몇 가지를 살펴보겠습니다.

과도 응답

전원 공급 장치 정확도는 종종 과도 응답에 의해 제한되는데, 이는 최대 전압 강하, 정착 시간 및 전압 오류 적분이 특징입니다(그림 5).

GUID-20210902-SS0I-P2SJ-9WK8-2NJKJWTR3N0S-low.gif 그림 5 과도 출력 전압.

응답 시간은 부하 전류 또는 공급 전압에 급격한 변화가 발생한 후 전원 장치가 목표 출력 전압으로 다시 조절하는 속도를 측정합니다. 응답 시간은 변화에 반응하는 지연 시간, 딥 또는 오버슈트로부터의 복구 시간, 정착 시간의 세 단계로 구성됩니다.

저 IQ 장치는 내부 기생 커패시터를 상대적으로 전류가 낮은 새 작동 지점으로 충전해야 하므로 응답 시간이 길어집니다. 일반적으로 최악의 경우는 무부하 상태에서 최대 허용 부하 전류까지의 단계입니다. 이러한 경우에서는 전원이 비활성화되거나 감소되어 추가적인 지연을 일으키는 회로를 다시 활성화해야 합니다.

더 중요한 것은, 정착 시간 자체가 감소된 바이어스 조건의 영향을 받는다는 것입니다. 기존의 차동 입력 단계의 경우 게인은 바이어스 전류에 따라 선형적으로 감소하며, 이로 인해 대역폭이 감소하고 정착 시간이 증가합니다.

성능 지수(FOM)를 계산하면 설계자가 전력 레귤레이터의 전반적인 성능을 판단하는 데 도움이 됩니다. Equation3은 과도 응답 딥 FOM을 계산하고 변환기의 최대 출력 전류, 부하 전류 단계(∆IO), 유도된 전압 강하(∆VO) 및 출력 커패시터(CO)로 IQ를 정규화합니다. 그림 6은 5V 벅 부스트 컨버터에 대한 FOM이 시간에 따라 어떻게 변화하는지 보여줍니다. FOM이 작을수록 레귤레이터의 성능이 개선됩니다.

Equation3. t r a n s i e n t   r e s p o n s e   d i p   F O M = I Q V C O I O _ M A X I O
GUID-20210902-SS0I-JKLF-PDV3-RRJFGXJVCLFD-low.gif 그림 6 5V 벅 부스트 컨버터의 시간 경과에 따른 과도 응답 딥 FOM.

리플

저 IQ를 활성화하는 또 다른 방법은 부하 전류에 따라 다른 절전 모드로 전환하는 것입니다. 이러한 모드 간의 전환은 일반적으로 자동으로 이루어지지만 구현과 성능은 크게 다릅니다. 여기서 두 가지 문제는 전환 중 절전 모드와 출력 전압 정확도 간의 전압 리플입니다. 일반적으로 각 절전 모드에서 작동 조건(예: 오류 증폭기)은 다르기 때문에, 다른 작동 지점에 대한 조정에 필요한 전환 시간은 출력 전압에서 직접 오류를 초래할 수 있습니다. 또한 비교기 지연은 낮은 바이어싱 전류에서 더 길어지며, 잠재적으로 전압 임계값과 제로 전류 감지 모두에 부정확성을 유발하여 출력 전압 리플이 더 높아질 수 있습니다.

잡음

저 IQ 바이어싱에 수반되는 증폭기의 자체 잡음이 증가하는 것도 극복해야 할 장애물입니다. LDO에서 가장 많은 잡음을 일으키는 것으로 표시된 그림 7의 내부 블록은 레퍼런스 시스템(밴드 갭), 오류 증폭기 및 출력 전압을 확장하는 저항 분할기입니다. 그림 8은 일반적인 잡음 프로필과 주파수 관계를 보여줍니다. 이러한 블록에서 생성되는 두 가지 주요 잡음 유형은 다음과 같습니다.

  • 열 잡음(4kTR 잡음이라고도 함)은 사용되는 저항과 선형적으로 비례하기 때문에 초저 IQ 설계의 경우 특히 중요합니다. 오류 증폭기 및 레퍼런스 블록에 사용되는 저항 분할 바이어스 전류와 저항 분할기에 사용되는 저항은 모두 1kHz 이상의 주파수에서 열 잡음의 주요 원인입니다.
  • 플리커 잡음(1/f 잡음이라고도 함)은 레퍼런스 시스템과 오류 증폭기에서 차동 쌍의 크기를 증가시켜 완화할 수 있는 100Hz 미만의 저주파 잡음입니다. 그러나 이렇게 큰 크기 조정은 나노 전력 설계에 장애물이 됩니다. 나노 전력 설계는 자가 유발 누출을 증가시키고 정전 용량을 추가하여 응답 시간이 느려지기 때문입니다.

주어진 IQ에 대한 결과 잡음을 평가하는 간단한 방법은 해당 주파수 범위의 통합 잡음과 관심 작동 지점의 IQ를 곱하는 것입니다. 일반적으로 장치 데이터 시트에서 두 숫자를 모두 찾을 수 있습니다.

GUID-20210902-SS0I-JSR5-XXVV-2PZKWC5BRDT7-low.gif 그림 7 간소화된 LDO 블록 다이어그램.
GUID-20210902-SS0I-F9RX-QDBC-WNPM3MMR13Z7-low.gif 그림 8 스펙트럼 잡음 밀도 예.

다이 크기 및 솔루션 영역

IQ 감소는 또한 더 큰 패시브 또는 IC 패키지 크기에 필요한 보드 면적이 증가하는 결과를 초래할 수 있습니다. LDO와 DC/DC 변환기 모두를 위한 대용량 커패시터와 같은 더 큰 외부 패시브는 나노 전력 장치에서 일반적으로 사용되며, 보통 더 낮은 과도 성능을 보상하는 데 사용됩니다. 패키지 영역이 클수록 다이 영역이 커질 수 있습니다.

1µA 미만인 IQ로 다이 분해를 육안으로 검사하는 경우 저항기와 커패시터는 내부 비전계 효과 트랜지스터(FET) 다이 영역의 20% 이상을 차지합니다. IQ 영역 문제를 해결하기 위한 여러 솔루션이 있지만, 시중에서 가장 적합한 솔루션을 걸러내는 쉬운 방법은 다음과 같은 간단한 FOM을 적용하는 것입니다. IQ에 가장 작은 패키지 영역을 곱합니다. 데이터 시트에서 관련 정보를 가져와 FOM에 액세스할 수 있습니다. 제공되는 가장 작은 패키지를 보면 더 작은 다이 영역에 대한 단서를 얻을 수 있습니다.

IQ가 가장 낮고 가장 작은 패키지를 모두 사용할 수 있는 장치를 선택하는 것은 일반적으로 IQ 영역 효율성이 좋다는 것을 의미합니다.

누출 및 하위 임계값 작동

나노 전력 프로세스의 목표는 IQ 감소보다 속도와 게이트 밀도를 우선하는 고성능 딥 서브미크론 기술의 목표와 상충될 수 있습니다. 프로세스 기술은 다양할 수 있지만 누출의 대부분은 대형 디지털 회로, 메모리 및 고출력 FET에서 발생합니다. 상시 가동 회로의 정확도는 저항기 및 커패시터와 같은 구성 요소의 제어 가능성과 트랜지스터 간의 불일치로 제한되는 경향이 있습니다. 상시 가동 회로의 누출과 제어를 해결할 올바른 구성 요소를 갖추지 못하면 온도 전반에 걸쳐 큰 전형적인 최악 IQ 및 ISHDN 비율로 나타납니다. 적절한 구성 요소를 갖춘 전용 저전력 프로세스 기술을 통해 확실한 제조 이점을 얻을 수 있습니다.

한 가지 근본적인 과제는 하위 임계값 영역에 바이어스된 구성 요소를 안정적으로 작동하는 것입니다. 한 가지 일반적인 문제는 무작위 임계 전압(VT) 불일치 증가입니다. 그림 9a는 트랜지스터 에지의 얕은 트랜치 격리(STI)에서 산화물이 얇아져 무작위 불일치를 증가시키는 메커니즘(문헌으로 보고됨)을 보여줍니다. 그림 9b에서 볼 수 있는 이 병렬 저 VT 에지 트랜지스터는 트랜지스터의 VT를 의도적으로 왜곡하여 차동 쌍 및 전류 미러와 같은 가장 기본적인 아날로그 회로에 대해 훨씬 더 높은 무작위 불일치를 초래합니다. 이러한 불일치는 전체 온도 범위에서 출력 전압 또는 모드 제어 정확도를 저하시킬 수 있으며, 데이터 시트에서 명확히 관찰할 수 있습니다.