회로 최적화를 위한 외부 커패시터가 없는 LDO 레귤레이터의 안정도와 PSR 성능 모델

Abstract

한정된 배터리 용량으로 장시간 모바일 시스템을 구동시키기 위하여 저전력 설계에 대한 요구가 높아지면서 PMIC(Power Management IC)의 핵심 부분인 LDO(Low Drop-Out) 레귤레이터의 설계에 대한 관심이 증가하고 있다. 본 논문에서는 Dongbu HiTek <TEX>$0.5{\mu}m$</TEX> BCDMOS 공정을 이용하여 최적화 기법 중 하나인 기하 프로그래밍(Geometric Programming: GP)을 통해 외부 커패시터가 없는 LDO 레귤레이터의 성능을 최적화하였다. 계수가 양수인 단항식 (monomial)으로 모델링된 트랜지스터의 특성 파라미터들을 이용하여 안정도(stability)와 PSR(Power-Supply Rejection)과 같은 LDO 레귤레이터의 특성을 기하 프로그래밍(Geometric Programming: GP)에 적용 가능한 형태로 유도하였다. 위상 마진(phase margin)과 PSR 모델은 시뮬레이션 결과와 비교하였을 때 각각 평균 9.3 %와 13.1 %의 오차를 보였다. 제안한 모델을 사용하여 PSR 제약 조건이 바뀔 경우, 자동화된 회로 설계를 수행하였고, 모델의 정확도를 검증하였다. 본 논문에서 유도된 안정도와 PSR 모델을 이용하면 회로의 목표 성능이 변화하더라도 부가적인 설계 시간을 줄이면서 목표 성능을 가진 회로를 재설계하는 것이 가능할 것이다. LDO(Low Drop-Out) regulators have become an essential building block in modern PMIC(Power Managment IC) to extend battery life of electronic devices. In this paper, we optimize capacitor-less LDO regulator via Geometric Programming(GP) designed using Dongbu HiTek <TEX>$0.5{\mu}m$</TEX> BCDMOS process. GP-compatible models for stability and PSR of LDO regulators are derived based on monomial formulation of transistor characteristics. Average errors between simulation and the proposed model are 9.3 % and 13.1 %, for phase margin and PSR, respectively. Based on the proposed models, the capacitor-less LDO optimization can be performed by changing the PSR constraint of the design. The GP-compatible performance models developed in this work enables the design automation of capacitor-less LDO regulator for different design target specification.