KR102169384B1

KR102169384B1 - 스위칭 레귤레이터, 이를 포함하는 전력 관리 장치 및 시스템

Info

Publication number: KR102169384B1
Application number: KR1020140029676A
Authority: KR
Inventors: 문성우; 유현욱; 고유석; 금동진; 연평우
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2014-03-13
Filing date: 2014-03-13
Publication date: 2020-10-23
Also published as: KR20150107169A; US9590505B2; US20150263615A1

Abstract

다수의 LDO 레귤레이터를 이용하여 소량의 전류를 소모하는 로드를 구동하는 때에 전력 효율을 극대화할 수 있는 스위칭 레귤레이터, 이를 포함하는 전력 관리 장치 및 시스템이 제공된다. 상기 스위칭 레귤레이터는 입력 단자와, 출력 단자와, 상기 입력 단자와 상기 출력 단자 사이에 연결되는 인덕터와, 상기 출력 단자와 병렬 연결되는 커패시터를 포함하는 DC-DC 컨버터, 및 상기 인덕터를 흐르는 인덕터 전류를 감지하고, 가변 저항을 이용하여 상기 인덕터의 DCR(Direct Current Resistance)에 걸리는 전압을 드룹(droop) 전류로 변환하는 감지부와, 바이어스 전류와 상기 드룹 전류의 차에 대응하는 전류를 이용하여 상기 DC-DC 컨버터의 출력 단자에 전압 강하를 발생시키는 미러링부를 포함하는 전압 배치 회로를 포함한다.

Description

스위칭 레귤레이터, 이를 포함하는 전력 관리 장치 및 시스템{SWITCHING REGULATOR, POWER MANAGEMENT DEVICE AND SYSTEM COMPRISING THE SAME}

본 발명은 스위칭 레귤레이터, 이를 포함하는 전력 관리 장치 및 시스템에 관한 것이다.

전력 관리 집적 회로(power management IC)는 배터리를 이용하는 휴대용 시스템에서 배터리의 전력을 관리하는 장치이다. 전력 관리 집적 회로는 직류-직류(DC-DC) 변환, 배터리 충전, 전압 스케일링(voltage scaling) 등과 같은 기능을 수행할 수 있다.

이러한 전력 관리 집적 회로의 핵심 기능 중 하나는 배터리의 전력 효율을 증가시키고, 다수의 로드를 병렬적으로 구동하는 것이다. 이를 위해, 효율이 높고 출력 전압을 자유롭게 조정할 수 있는 DC-DC 컨버터가 전력 관리 집적 회로에 이용되는 것이 효과적이지만, 소량의 전류를 소모하는 로드(load)를 구동하는 때에는, 공간 상의 제약과 회로의 복잡성 등을 고려하면, DC-DC 컨버터보다 부피가 작은 LDO(Low Dropout) 레귤레이터를 이용하여 구동하는 것이 효과적일 수 있다.

본 발명이 해결하려는 과제는, 다수의 LDO 레귤레이터를 이용하여 소량의 전류를 소모하는 로드를 구동하는 때에 전력 효율을 극대화할 수 있는 스위칭 레귤레이터를 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하려는 다른 과제는, 다수의 LDO 레귤레이터를 이용하여 소량의 전류를 소모하는 로드를 구동하는 때에 전력 효율을 극대화할 수 있는 전력 관리 장치를 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는, 다수의 LDO 레귤레이터를 이용하여 소량의 전류를 소모하는 로드를 구동하는 때에 전력 효율을 극대화할 수 있는 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하려는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 스위칭 레귤레이터의 일 면(aspect)은 입력 단자와, 출력 단자와, 상기 입력 단자와 상기 출력 단자 사이에 연결되는 인덕터와, 상기 출력 단자와 병렬 연결되는 커패시터를 포함하는 DC-DC 컨버터, 및 상기 인덕터를 흐르는 인덕터 전류를 감지하고, 가변 저항을 이용하여 상기 인덕터의 DCR(Direct Current Resistance)에 걸리는 전압을 드룹(droop) 전류로 변환하는 감지부와, 바이어스 전류와 상기 드룹 전류의 차에 대응하는 전류를 이용하여 상기 DC-DC 컨버터의 출력 단자에 전압 강하를 발생시키는 미러링부를 포함하는 전압 배치 회로를 포함한다.

본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 전압 배치 회로의 감지부는, 상기 DC-DC 컨버터의 상기 입력 단자와 상기 출력 단자 사이에 상기 인덕터와 병렬 연결되는 감지 저항 및 감지 커패시터와, 제1 입력 단자는 상기 감지 저항과 상기 감지 커패시터 사이의 공통 노드에 연결되고, 제2 입력 단자는 상기 가변 저항을 통해 상기 DC-DC 컨버터의 상기 출력 단자에 연결되는 연산 증폭기를 포함할 수 있다.

본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 감지 커패시터에 걸리는 전압은 상기 인덕터의 DCR에 걸리는 전압과 동일할 수 있다.

본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 가변 저항에 걸리는 전압은 상기 인덕터의 DCR에 걸리는 전압과 동일할 수 있다.

본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 드룹 전류는 상기 가변 저항을 흐를 수 있다.

본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 전압 배치 회로의 감지부는, 상기 드룹 전류가 흐르는 제1 트랜지스터를 더 포함하고, 상기 연산 증폭기의 출력 단자는 상기 제1 트랜지스터의 게이트에 연결될 수 있다.

본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 전압 배치 회로의 상기 미러링부는, 제2 트랜지스터 및 제3 트랜지스터를 포함하고, 상기 드룹 전류를 N/M의 비율로 카피(copy)한 미러링 전류를 생성하는 제1 미러링 회로를 포함하고, 상기 바이어스 전류와 상기 미러링 전류의 차에 대응하는 전류를 이용하여 상기 DC-DC 컨버터의 출력 단자에 전압 강하를 발생시킬 수 있다.

본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 전압 배치 회로의 상기 미러링부는, 제4 트랜지스터 및 제5 트랜지스터를 포함하고, 상기 미러링 전류를 카피하는 제2 미러링 회로와, 제6 트랜지스터 및 제7 트랜지스터를 포함하고, 상기 바이어스 전류와 상기 미러링 전류의 차에 대응하는 전류를 카피하는 제3 미러링 회로와, 상기 제2 미러링 회로의 제5 트랜지스터의 드레인 및 상기 제3 미러링 회로의 제6 트랜지스터의 드레인에 상기 바이어스 전류를 공급하는 바이어스 전류원을 포함할 수 있다.

본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 전압 배치 회로의 상기 미러링부는, 상기 드룹 전류의 노이즈를 제거하는 로우 패스 필터를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 전압 배치 회로의 상기 미러링부는, 제2 트랜지스터 및 제3 트랜지스터를 포함하고, 상기 드룹 전류를 N/M의 비율로 카피한 미러링 전류를 생성하는 제1 미러링 회로를 포함하고, 상기 로우 패스 필터는 상기 제2 트랜지스터의 게이트와 상기 제3 트랜지스터의 게이트의 사이에 연결될 수 있다.

본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 전압 배치 회로는 상기 미러링부와 상기 DC-DC 컨버터의 출력 단자 사이에 연결되어 상기 미러링부의 전압 강하를 온오프하는 스위치부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 DC-DC 컨버터는 상기 출력 단자와 병렬 연결되는 제1 저항 및 제2 저항을 더 포함하고, 상기 스위치부는 상기 제1 저항과 상기 제2 저항 사이의 공통 노드에 연결될 수 있다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 전력 관리 장치의 일 면은 배터리와 연결되고, 상기 배터리의 전원 전압을 변환하여 제1 출력 전압을 생성하는 스위칭 서브 레귤레이터, 및 상기 스위칭 서브 레귤레이터와 연결되고, 상기 스위칭 서브 레귤레이터의 제1 출력 전압을 입력받고, 상기 제1 출력 전압을 변환하여 제2 출력 전압을 생성하는 다수의 LDO 레귤레이터를 포함하고, 상기 스위칭 서브 레귤레이터는, 입력 단자와, 출력 단자와, 상기 입력 단자와 상기 출력 단자 사이에 연결되는 인덕터와, 상기 출력 단자와 병렬 연결되는 커패시터를 포함하는 DC-DC 컨버터와, 상기 인덕터를 흐르는 인덕터 전류를 감지하고, 가변 저항을 이용하여 상기 인덕터의 DCR(Direct Current Resistance)에 걸리는 전압을 드룹(droop) 전류로 변환하는 감지부와, 바이어스 전류와 상기 드룹 전류의 차에 대응하는 전류를 이용하여 상기 DC-DC 컨버터의 출력 단자에 전압 강하를 발생시키는 미러링부를 포함하는 전압 배치 회로를 포함한다.

본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 스위칭 서브 레귤레이터의 상기 전압 배치 회로의 감지부는, 상기 DC-DC 컨버터의 상기 입력 단자와 상기 출력 단자 사이에 상기 인덕터와 병렬 연결되는 감지 저항 및 감지 커패시터와, 제1 입력 단자는 상기 감지 저항과 상기 감지 커패시터 사이의 공통 노드에 연결되고, 제2 입력 단자는 상기 가변 저항을 통해 상기 DC-DC 컨버터의 상기 출력 단자에 연결되는 연산 증폭기를 포함할 수 있다.

본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 감지 커패시터에 걸리는 전압 및 상기 가변 저항에 걸리는 전압은 상기 인덕터의 DCR에 걸리는 전압과 동일할 수 있다.

본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 스위칭 서브 레귤레이터의 전압 배치 회로의 감지부는, 상기 드룹 전류가 흐르는 제1 트랜지스터를 더 포함하고, 상기 연산 증폭기의 출력 단자는 상기 제1 트랜지스터의 게이트에 연결될 수 있다.

본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 다수의 LDO 레귤레이터의 전류 용량은 서로 다를 수 있다.

본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 스위칭 서브 레귤레이터는 상기 다수의 LDO 레귤레이터 중 전류 용량이 가장 큰 LDO 레귤레이터의 최대 전류에 따라 상기 전압 강하를 조절할 수 있다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 전력 관리 장치의 다른 면은 배터리와 연결되고, 상기 배터리의 전원 전압을 변환하여 제1 출력 전압을 생성하는 스위칭 서브 레귤레이터, 상기 스위칭 서브 레귤레이터와 연결되고, 상기 스위칭 서브 레귤레이터의 제1 출력 전압을 입력받고, 상기 제1 출력 전압을 변환하여 제2 출력 전압을 생성하는 다수의 LDO 레귤레이터, 및 상기 배터리와 연결되고, 상기 배터리의 전원 전압을 변환하여 제3 출력 전압을 생성하는 DC-DC 컨버터를 포함하고, 상기 스위칭 서브 레귤레이터는, 입력 단자와, 출력 단자와, 상기 입력 단자와 상기 출력 단자 사이에 연결되는 인덕터와, 상기 출력 단자와 병렬 연결되는 커패시터를 포함하는 DC-DC 컨버터와, 상기 인덕터를 흐르는 인덕터 전류를 감지하고, 가변 저항을 이용하여 상기 인덕터의 DCR(Direct Current Resistance)에 걸리는 전압을 드룹(droop) 전류로 변환하는 감지부와, 바이어스 전류와 상기 드룹 전류의 차에 대응하는 전류를 이용하여 상기 DC-DC 컨버터의 출력 단자에 전압 강하를 발생시키는 미러링부를 포함하는 전압 배치 회로를 포함한다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 시스템의 일 면은 데이터를 처리하는 프로세서, 상기 데이터를 저장하는 메모리, 및 상기 프로세서 및 상기 메모리에 공급되는 전력을 관리하는 전력 관리 장치를 포함하고, 상기 전력 관리 장치는, 배터리와 연결되고, 상기 배터리의 전원 전압을 변환하여 제1 출력 전압을 생성하는 스위칭 서브 레귤레이터와, 상기 스위칭 서브 레귤레이터와 연결되고, 상기 스위칭 서브 레귤레이터의 제1 출력 전압을 입력받고, 상기 제1 출력 전압을 변환하여 제2 출력 전압을 생성하는 다수의 LDO 레귤레이터를 포함하고, 상기 스위칭 서브 레귤레이터는, 입력 단자와, 출력 단자와, 상기 입력 단자와 상기 출력 단자 사이에 연결되는 인덕터와, 상기 출력 단자와 병렬 연결되는 커패시터를 포함하는 DC-DC 컨버터와, 상기 인덕터를 흐르는 인덕터 전류를 감지하고, 가변 저항을 이용하여 상기 인덕터의 DCR(Direct Current Resistance)에 걸리는 전압을 드룹(droop) 전류로 변환하는 감지부와, 바이어스 전류와 상기 드룹 전류의 차에 대응하는 전류를 이용하여 상기 DC-DC 컨버터의 출력 단자에 전압 강하를 발생시키는 미러링부를 포함하는 전압 배치 회로를 포함한다.

본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭 서브 레귤레이터를 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 도 1의 스위칭 서브 레귤레이터를 세부적으로 설명하기 위한 회로도이다.
도 3a는 일반적인 스위칭 서브 레귤레이터의 출력 전압을 설명하기 위한 도면이고, 도 3b는 도 1의 스위칭 서브 레귤레이터의 출력 전압을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 1의 스위칭 서브 레귤레이터를 포함하는 전력 관리 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 5는 도 4의 전력 관리 장치의 LDO 레귤레이터를 세부적으로 설명하기 위한 회로도이다.
도 6은 도 1의 스위칭 서브 레귤레이터를 포함하는 전력 관리 장치의 응용예를 설명하기 위한 블록도이다.
도 7은 도 4 또는 도 6의 전력 관리 장치를 포함하는 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
도 8 내지 도 9는 도 7의 시스템이 적용되는 전자 기기의 예를 설명하기 위한 도면이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

하나의 소자(elements)가 다른 소자와 "접속된(connected to)" 또는 "커플링된(coupled to)" 이라고 지칭되는 것은, 다른 소자와 직접 연결 또는 커플링된 경우 또는 중간에 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 하나의 소자가 다른 소자와 "직접 접속된(directly connected to)" 또는 "직접 커플링된(directly coupled to)"으로 지칭되는 것은 중간에 다른 소자를 개재하지 않은 것을 나타낸다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.

소자(elements) 또는 층이 다른 소자 또는 층의 "위(on)" 또는 "상(on)"으로 지칭되는 것은 다른 소자 또는 층의 바로 위뿐만 아니라 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 소자가 "직접 위(directly on)" 또는 "바로 위"로 지칭되는 것은 중간에 다른 소자 또는 층을 개재하지 않은 것을 나타낸다.

공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 소자를 뒤집을 경우, 다른 소자의 "아래(below)" 또는 "아래(beneath)"로 기술된 소자는 다른 소자의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 소자는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.

비록 제1, 제2 등이 다양한 소자, 구성요소 및/또는 섹션들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 소자, 구성요소 및/또는 섹션들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 소자, 구성요소 또는 섹션들을 다른 소자, 구성요소 또는 섹션들과 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 소자, 제1 구성요소 또는 제1 섹션은 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 소자, 제2 구성요소 또는 제2 섹션일 수도 있음은 물론이다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭 서브 레귤레이터를 설명하기 위한 블록도이고, 도 2는 도 1의 스위칭 서브 레귤레이터를 세부적으로 설명하기 위한 회로도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭 서브 레귤레이터(SWITCHING SUB-REGULATOR; 110)는 배터리(BATTERY)와 연결되고, 배터리의 전원 전압을 변환하여 제1 출력 전압을 생성할 수 있다. 스위칭 서브 레귤레이터(110)는 다수의 LDO 레귤레이터와 연결될 수 있다. 후술하는 본 발명의 전원 관리 장치는 복수의 단계의 전압 변환을 수행할 수 있다. 즉, 스위칭 서브 레귤레이터(110)가 1차적으로 배터리의 전원 전압을 변환하여 제1 출력 전압을 생성하고, 스위칭 서브 레귤레이터(110)에 연결된 LDO 레귤레이터들이 2차적으로 제1 출력 전압을 변환하여 제2 출력 전압을 생성할 수 있다.

이러한 스위칭 서브 레귤레이터(110)는 DC-DC 스템 다운 컨버터(111), 전압 배치 회로(112)를 포함한다.

DC-DC 스텝 다운 컨버터(111)는 배터리의 전원 전압을 입력받고, 이를 강압하여 제1 출력 전압을 생성할 수 있다. DC-DC 스텝 다운 컨버터(111)는 DC-DC 변환을 수행하므로, 제1 출력 전압과 배터리의 전원 전압은 직류 전압이고, 제1 출력 전압의 레벨은 배터리의 전원 전압의 레벨보다 작을 수 있다.

예를 들어, DC-DC 스텝 다운 컨버터(111)로는 벅 컨버터(buck converter)가 이용될 수 있다. DC-DC 스텝 다운 컨버터(111)는 전압 변환을 수행하기 위한 인덕터(L), 커패시터(C)를 포함할 수 있다. 인덕터(L)는 DC-DC 스텝 다운 컨버터(111)의 입력 단자와 출력 단자 사이에 연결될 수 있다. 커패시터(C)는 DC-DC 스텝 다운 컨버터(111)의 출력 단자와 병렬 연결될 수 있다. 도 2에서, VIN은 DC-DC 스텝 다운 컨버터(111)의 입력 전압(즉, 배터리의 전원 전압)을 나타낸 것이고, VOUT은 DC-DC 스텝 다운 컨버터(111)의 출력 전압(즉, 제1 출력 전압)을 나타낸 것이다. 또한, 도 2에서는, 인덕터(L)의 직류 저항(DCR; Direct Current Resistance)을 인덕터(L)와 함께 도시하였다.

한편, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, DC-DC 스텝 다운 컨버터(111)로 벅-부스트 컨버터(buck-boost converter)와 같은 다른 컨버터가 이용될 수도 있다.

전압 배치 회로(112)는 DC-DC 스텝 다운 컨버터(111)의 출력 전압을 조절할 수 있다. 즉, 전압 배치 회로(112)는 DC-DC 스텝 다운 컨버터(111)의 출력 단자에 전압 강하를 발생시키고, 상기 전압 강하를 적응적으로(adaptively) 가변할 수 있다.

전압 배치 회로(112)는 인덕터(L)를 흐르는 인덕터 전류(iL)를 감지하는 감지부, DC-DC 스텝 다운 컨버터(111)의 출력 단자에 전압 강하를 발생시키는 미러링부를 포함할 수 있다.

감지부는 감지 저항(RS), 감지 커패시터(CS), 제1 연산 증폭기(AMP1)를 포함할 수 있다.

감지 저항(RS) 및 감지 커패시터(CS)는 DC-DC 스텝 다운 컨버터(111)의 입력 단자와 출력 단자 사이에 인덕터(L)과 병렬 연결될 수 있다.

제1 연산 증폭기(AMP1)의 제1 입력 단자는 감지 저항(RS)과 감지 커패시터(CS) 사이의 공통 노드에 연결될 수 있고, 제2 입력 단자는 가변 저항(RDROOP)을 통해서 DC-DC 스텝 다운 컨버터(111)의 출력 단자에 연결될 수 있다. 제1 연산 증폭기(AMP1)의 출력 단자는 제1 트랜지스터(M1)의 게이트에 연결될 수 있다.

감지 저항(RS)과 감지 커패시터(CS) 사이의 공통 노드의 전압을 VCS라고 하면, VCS는 하기 수학식 1과 같이 계산될 수 있다.

[수학식 1]

여기서, 극(pole)과 영(zero)의 위치를 매칭시켜주면, 하기 수학식 2를 도출해낼 수 있다.

[수학식 2]

수학식 2를 수학식 1에 적용하면, 감지 저항(RS)과 감지 커패시터(CS) 사이의 공통 노드의 전압 VCS는 하기 수학식 3과 같이 계산될 수 있다.

[수학식 3]

수학식 3을 참조하면, 감지 커패시터(CS)의 양단에 걸리는 전압은 인덕터(L)의 DCR에 걸리는 전압과 동일함을 알 수 있다. 따라서, 인덕터 전류(iL)를 정확하게 감지할 수 있다.

한편, 이상적인 연산 증폭기 모델을 사용하면, 제1 연산 증폭기(AMP1)의 가상 단락(virtual short)에 의하여, 제1 연산 증폭기(AMP1)의 제1 입력 단자의 전압은 제2 입력 단자의 전압과 동일할 수 있다. 따라서, 제1 연산 증폭기(AMP1)의 제2 입력 단자와 DC-DC 스텝 다운 컨버터(111)의 출력 단자 사이에 연결된 가변 저항(RDROOP)의 양단에 걸리는 전압은 감지 커패시터(CS)의 양단에 걸리는 전압과 동일하게 된다. 즉, 가변 저항(RDROOP)의 양단에 걸리는 전압도 인덕터(L)의 DCR에 걸리는 전압과 동일할 수 있다.

가변 저항(RDROOP)에 의하여, 감지 커패시터(CS)의 양단에 걸리는 전압은 하기 수학식 4와 같이 가변 저항(RDROOP)을 흐르는 드룹 전류 iDROOP로 변환될 수 있다.

[수학식 4]

그리고, 드룹 전류 iDROOP는 제1 트랜지스터(M1)를 통하여 미러링부의 미러링 회로에 공급될 수 있다.

미러링부는 제1 미러링 회로, 제2 미러링 회로, 제3 미러링 회로, 제4 미러링 회로를 포함할 수 있다. 미러링부는 후술하는 바이어스 전류와 드룹 전류 iDROOP의 차에 대응하는 전류를 이용하여, DC-DC 스텝 다운 컨버터(111)의 출력 단자에 전압 강하를 발생시킬 수 있다.

제1 미러링 회로는 제2 트랜지스터(M2) 및 제3 트랜지스터(M3)를 포함할 수 있다. 제2 트랜지스터(M2) 및 제3 트랜지스터(M3)는 드룹 전류 iDROOP를 N/M의 비율로 카피(copy)한 미러링 전류를 생성할 수 있다. 제2 트랜지스터(M2) 및 제3 트랜지스터(M3)의 크기는 M:N의 비율의 전류 미러링을 수행하도록 조절될 수 있다.

제2 미러링 회로는 제4 트랜지스터(M4) 및 제5 트랜지스터(M5)를 포함할 수 있다. 제4 트랜지스터(M4) 및 제5 트랜지스터(M5)는 미러링 전류를 다시 카피할 수 있다. 따라서, 제5 트랜지스터(M5)를 흐르는 전류 iM5, 즉 미러링 전류는 하기 수학식 5와 같이 계산될 수 있다.

[수학식 5]

제3 미러링 회로는 제6 트랜지스터(M6) 및 제7 트랜지스터(M7)을 포함할 수 있다. 제3 미러링 회로는 바이어스 전류 IB와 미러링 전류 iM5의 차에 대응하는 전류를 카피할 수 있다. 이를 위해, 바이어스 전류원이 제2 미러링 회로의 제5 트랜지스터(M5)의 드레인 및 제3 미러링 회로의 제6 트랜지스터(M6)의 드레인에 바이어스 전류 IB를 공급할 수 있다. 따라서, 제6 트랜지스터(M6)를 흐르는 전류 iM6는 하기 수학식 6과 같이 계산될 수 있다.

[수학식 6]

제4 미러링 회로는 제8 트랜지스터(M8) 및 제9 트랜지스터(M9)를 포함할 수 있다. 제4 미러링 회로는 전류 iM6를 다시 카피할 수 있다. 카피된 전류, 즉 바이어스 전류 IB와 미러링 전류 iM5의 차에 대응하는 전류는 DC-DC 스텝 다운 컨버터(111)의 출력 단자에 공급되어 전압 강하를 발생시킬 수 있다.

구체적으로, 제1 저항(R1) 및 제2 저항(R2)이 DC-DC 스텝 다운 컨버터(111)의 출력 단자와 병렬로 연결되고, 제4 미러링 회로의 출력 단자는 제1 저항(R1)과 제2 저항(R2)의 공통 노드에 연결될 수 있다. 그리고, 바이어스 전류 IB와 미러링 전류 iM5의 차에 대응하는 전류가 제2 저항(R2)으로 유입되어 출력 단자의 전압 강하를 발생시킬 수 있다.

먼저, DC-DC 스텝 다운 컨버터(111)에 연결되는 LDO 레귤레이터가 로드를 구동하지 않아, 인덕터 전류 iL가 0(zero) A인 때에는, 상기 수학식 5에 따라 미러링 전류 iM5도 0 A가 될 수 있다. 따라서, 제6 트랜지스터를 흐르는 전류 iM6는 바이어스 전류 IB와 동일하게 될 수 있다. 그리고, 바이어스 전류 IB는 제4 미러링 회로에 의해서 카피될 수 있다. 결국, LDO 레귤레이터가 로드를 구동하지 않는 때에, DC-DC 스텝 다운 컨버터(111)의 출력 단자의 전압 강하 VDROP는 하기 수학식 7과 같이 계산될 수 있다.

[수학식 7]

다음으로, DC-DC 스텝 다운 컨버터(111)에 연결되는 LDO 레귤레이터가 서서히 로드를 구동하여, 인덕터 전류 iL이 증가하는 때에는, 상기 수학식 5에 따라 미러링 전류 iM5도 0 A가 아니게 될 수 있다. 그리고, 미러링 전류 iM5가 증가하는 것에 대응하여, 상기 수학식 6에 따라, 제6 트랜지스터를 흐르는 전류 iM6이 감소될 수 있다. 따라서, LDO 레귤레이터가 로드를 구동하는 때에, DC-DC 스텝 다운 컨버터(111)의 출력 단자의 전압 강하 VDROP는 하기 수학식 8과 같이 계산될 수 있다.

[수학식 8]

그러므로, 사전에 LDO 레귤레이터가 로드를 구동하지 않는 때에, LDO 레귤레이터의 드롭아웃(dropout) 전압을 고려하여 바이어스 전류 IB를 설정하고, M:N의 값 및 가변 저항 RDROOP의 저항 값을 조정함으로써, LDO 레귤레이터가 구동하는 로드와 LDO 레귤레이터의 드롭아웃 전압에 따라 출력 전압을 적응적으로 가변할 수 있다.

또한, 제5 트랜지스터(M5) 및 제6 트랜지스터(M6)는 전압 제한(limiting) 효과를 발휘할 수도 있다. 예를 들어, 로드에서 소비하는 전류(즉, 인덕터 전류 iL)가 증가함에 따라, 미러링 전류 iM5가 계속적으로 증가하더라도, 제6 트랜지스터(M6)가 바이어스 전류 IB보다 큰 전류를 감쇄시킬 수는 없으므로, 제6 트랜지스터(M6)를 흐르는 전류 iM6은 0 A가 될 수 있다. 따라서, DC-DC 스텝 다운 컨버터(111)의 출력 단자에서 발생되는 전압 강하는 0이 되므로, DC-DC 스텝 다운 컨버터(111)의 출력 전압의 크기는 디폴트(default)로 설정된 출력 전압의 크기를 넘지 않게 된다. 이로써, 전압 배치 회로(112)는 전압 제한 회로의 기능을 수행할 수도 있다.

또한, 전압 배치 회로(112)는 스위칭 서브 레귤레이터(110)의 스위칭 노이즈를 제거하기 위한 로우 패스 필터를 더 포함할 수 있다. 로우 패스 필터는 저항(RF)와 커패시터(CF)를 포함할 수 있다. 로우 패스 필터는 제1 미러링 회로의 제2 트랜지스터(M2)의 게이트와 제3 트랜지스터(M3)의 게이트 사이에 연결되어, 드룹 전류 iDROOP의 노이즈를 제거할 수 있다. 예를 들어, 로우 패스 필터의 코너 주파수(corner frequency)는 스위칭 서브 레귤레이터(110)의 스위칭 주파수의 대략 1/5 내지 1/10의 값일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

또한, 전압 배치 회로(112)는 미러링부의 전압 강하를 온오프하기 위한 스위치부를 포함할 수 있다. 스위치부는 미러링부와 DC-DC 스텝 다운 컨버터(111)의 출력 단자 사이에 연결될 수 있다. 스위치부는 제4 미러링 회로의 출력 단자와 제1 저항(R1) 및 제2 저항(R2)의 공통 노드의 사이에 연결되는 스위치(SO)를 포함할 수 있다. 스위치(SO)가 턴온되는 때에는, DC-DC 스텝 다운 컨버터(111)의 출력 전압이 조정 가능하고, 스위치(SO)가 턴오프되는 에는, DC-DC 스텝 다운 컨버터(111)의 출력 전압이 조정 가능하지 않게 된다.

도 3a는 일반적인 스위칭 서브 레귤레이터의 출력 전압을 설명하기 위한 도면이고, 도 3b는 도 1의 스위칭 서브 레귤레이터의 출력 전압을 설명하기 위한 도면이다.

도 3a 및 도3b의 상부에 도시된 파형은 로드에서 소비하는 전류의 파형을 개략적으로 도시한 것이고, 하부에 도시된 파형은 로드에서 소비하는 전류에 따라, 변화하는 스위칭 서브 레귤레이터의 출력 전압의 파형을 개략적으로 도시한 것이다.

도 3a에 도시된 바와 같이, 일반적인 스위칭 서브 레귤레이터의 출력 전압(VOUT)은 로드가 슬립(sleep) 상태에서 액티브(active) 상태로 전환하거나, 액티브 상태에서 슬립 상태로 전환하는 때에 급격하게 변화하면서 전력을 소모하게 된다.

그러나, 도 3b에 도시된 바와 같이, 도 1의 스위칭 서브 레귤레이터(100)에 따르면, 로드에서 소비하는 전류 및 LDO 레귤레이터의 최소 드롭아웃 전압에 따라 출력 전압을 적응적으로 가변하므로, 전력 소모를 감소시키고, 전력 효율을 극대화할 수 있다.

도 4는 도 1의 스위칭 서브 레귤레이터를 포함하는 전력 관리 장치를 설명하기 위한 블록도이고, 도 5는 도 4의 전력 관리 장치의 LDO 레귤레이터를 세부적으로 설명하기 위한 회로도이다.

도 4를 참조하면, 전력 관리 장치(POWER MANAGEMENT IC; 100)는 스위칭 서브 레귤레이터(110), 다수의 LDO 레귤레이터(120)을 포함한다.

스위칭 서브 레귤레이터(110)는 배터리와 연결되고, 1차적으로 배터리의 전원 전압을 변환하여 제1 출력 전압을 생성할 수 있다. 스위칭 서브 레귤레이터(110)는 다수의 LDO 레귤레이터(120)와 연결될 수 있다.

스위칭 서브 레귤레이터(110)는 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 바와 실질적으로 동일하게 구성될 수 있다.

다수의 LDO 레귤레이터(120)들은 2차적으로 제1 출력 전압을 변환하여 제2 출력 전압을 생성할 수 있다. 각각의 LDO 레귤레이터(120)들은 각각이 구동하는 로드(LOAD)에 제2 출력 전압을 공급할 수 있다.

도 5를 참조하면, LDO 레귤레이터(120)는 제2 연산 증폭기(AMP2), 패스 트랜지스터(PASS TR), 제3 저항(R3), 제4 저항(R4)를 포함한다. 도 5에서, VINL은 LDO 레귤레이터(120)의 입력 전압(즉, 제1 출력 전압)을 나타낸 것이고, VOUTL은 LDO 레귤레이터(120)의 출력 전압(즉, 제2 출력 전압)을 나타낸 것이다.

제2 연산 증폭기(AMP2)의 제1 입력 단자에는 기준 전압 VREF가 입력될 수 있다. 제2 연산 증폭기(AMP2)의 제2 입력 단자는 제3 저항(R3)와 제4 저항(R4) 사이의 공통 노드에 연결될 수 있다. 제2 연산 증폭기(AMP2)는 기준 전압 VREF와 출력 전압 VOUTL을 비교하고, 비교 결과를 증폭할 수 있다.

패스 트랜지스터(PASS TR)의 게이트에는 제2 연산 증폭기(AMP2)의 출력 단자가 연결될 수 있다. 제2 연산 증폭기(AMP2)의 출력 값이 제1 레벨인 때에는, 패스 트랜지스터(PASS TR)가 턴온되어, 출력 전압 VOUTL이 증가될 수 있다. 제2 연산 증폭기(AMP2)의 출력 값이 제2 레벨인 때에는, 패스 트랜지스터(PASS TR)가 턴오프되어, 출력 전압 VOUTL이 감소될 수 있다.

제3 저항(R3) 및 제4 저항(R4)는 피드백 전압 디바이더로 기능할 수 있다.

LDO 레귤레이터(120)의 전력 효율은 입력 전압과 출력 전압의 비로 정의될 수 있다. 따라서, 입력 전압이 출력 전압과 비슷할 때에, LDO 레귤레이터(120)의 효율은 극대화될 수 잇다. 그러나, LDO 레귤레이터(120)의 출력 전압을 일정하게 유지하기 위해서, 즉 패스 트랜지스터(PASS TR)의 드롭아웃 전압 전압을 일정하게 유지하기 위해서는, 입력 전압이 적절한 마진(margin)을 두고 출력 전압보다 높게 입력되어야 한다. 이러한 최소 드롭아웃 전압은 LDO 레귤레이터가 로드에 공급하는 전류가 증가할수록 증가하게 된다.

구체적으로, 대량의 전류를 소모하는 해비(heavy) 로드를 구동하는 때에는, 적절한 마진을 두고 출력 전압보다 높은 입력 전압이 LDO 레귤레이터(120)에 제공되어야 한다. 반면, 소량의 전류를 소모하는 라이트(light) 로드를 구동하는 때에는, 드롭아웃 전압이 크지 않음에도 불구하고, LDO 레귤레이터(120)의 입력 전압이 크게 설정되어, 스위칭 서브 레귤레이터(110)의 전력 효율이 감소하게 된다.

다시 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전력 관리 장치(100)는 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 스위칭 서브 레귤레이터(110)를 포함하므로, 전압 배치 기술을 이용하여, 다수의 LDO 레귤레이터가 라이트 로드를 구동하는 때에는, 상대적으로 낮은 제1 출력 전압을 제공하고, 다수의 LDO 레귤레이터가 해비 로드를 구동하는 때에는, 상대적으로 높은 제1 출력 전압을 제공함으로써 전력 효율을 극대화할 수 있다.

한편, 하나의 스위칭 서브 레귤레이터(110)에 다수의 LDO 레귤레이터(120)가 연결된 경우에는, 단순하게 스위칭 서브 레귤레이터(110)의 인덕터 전류(iL)의 감지만으로는, 각각의 LDO 레귤레이터(120)가 얼마만큼의 전류를 소모하는지 파악할 수 없다. 특히, 각각의 LDO 레귤레이터(120)의 전류 용량이 다를 시에는 보다 더 진보한 전압 배치 기술이 요구된다.

본 발명의 실시예에 따른 전력 관리 장치(100)는, 다수의 LDO 레귤레이터(120) 중에서 전류 용량이 가장 큰 LDO 레귤레이터(120)의 최대 전류를, 각각의 LDO 레귤레이터(120)가 공급할 수 있는 최대 전류로 보고, 최대 전류에 따라 최대 드롭아웃 전압을 설정한다. 예를 들어, 어느 하나의 LDO 레귤레이터(120)의 최대 전류가 600 mA이고, 다른 하나의 LDO 레귤레이터(120)의 최대 전류가 450 mA이고, 스위칭 서브 레귤레이터(110)에서 감지되는 전류가 600 mA인 경우, 600 mA를 공급하는 LDO 레귤레이터(120)가 적절한 드롭아웃 전압을 확보할 수 있도록, 전력 관리 장치(110)는 스위칭 서브 레귤레이터(110)의 제1 출력 전압을 조정할 수 있다. 이에 따라, 다른 LDO 레귤레이터(120)가 얼마만큼의 전류를 공급하는 지에 관계 없이, 모든 LDO 레귤레이터(120)의 드롭아웃 전압이 확보될 수 있다.

한편, 다수의 LDO 레귤레이터(120)가 라이트 로드를 구동하는 때에도, 다수의 LDO 레귤레이터(120) 중 전류 용량이 가장 큰 LDO 레귤레이터(120)를 기준으로 하여, 드롭아웃 전압을 증가시킬 수 있다. 이 때, 다수의 LDO 레귤레이터(120)가 라이트 로드를 구동하는지, 또는 해비 로드를 구동하는지에 관계 없이, 드롭아웃 전압을 항상 확보할 수 있게 된다. 따라서, 다수의 LDO 레귤레이터(120)의 전력 효율을 극대화할 수 있다.

도 6은 도 1의 스위칭 서브 레귤레이터를 포함하는 전력 관리 장치의 응용예를 설명하기 위한 블록도이다. 설명의 편의를 위하여, 도 4와 차이점을 중점으로 하여 설명하기로 한다.

도 6을 참조하면, 전력 관리 장치(200)는 스위칭 서브 레귤레이터(110), 다수의 LDO 레귤레이터(120), DC-DC 컨버터(DC-DC CONVERTER; 130)을 포함한다.

DC-DC 컨버터(130)는 배터리와 연결되고, 배터리의 전원 전압을 변환하여 제3 출력 전압을 생성할 수 있다. DC-DC 컨버터(130)는 로드에 제3 출력 전압을 공급할 수 있다. DC-DC 컨버터(130)로는 벅 컨버터(buck converter), 벅-부스트 컨버터(buck-boost converter)와 같은 컨버터가 이용될 수도 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

다수의 LDO 레귤레이터(120)들은 상대적으로 소량의 전류를 소모하는 라이트 로드에 제2 출력 전압을 공급하고, DC-DC 컨버터(130)는 상대적으로 대량의 전류를 소모하는 해비 로드에 제3 출력 전압을 공급할 수 있다.

도 7은 도 4 또는 도 6의 전력 관리 장치를 포함하는 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.

도 7을 참조하면, 시스템(1000)은 코어 프로세서(CORE; 1100), 디스플레이 컨트롤러(DISPLAY CONTROLLER; 1200), 인터페이스 장치(INTERFACE; 1300), 메모리 장치(MEMORY; 1400), 주변 장치(PERIPHERAL; 1500), 전력 관리 장치(1600)를 포함한다.

코어 프로세서(1100), 디스플레이 컨트롤러(1200), 인터페이스 장치(1300), 메모리 장치(1400), 주변 장치(1500), 전력 관리 장치(1600)는 시스템 버스(1700)을 통하여 서로 연결될 수 있다. 시스템 버스(1700)는 데이터들이 이동되는 통로(path)일 수 있다.

코어 프로세서(1100)는 하나의 프로세서를 포함하거나(single-core), 복수의 프로세서들을 포함하여(multi-core) 데이터를 처리할 수 있다. 예를 들어, 코어 프로세서(1100)는 듀얼 코어(dual-core), 쿼드 코어(quad-core), 헥사 코어(hexa-core) 등과 같은 멀티 코어(multi-core) 프로세서로 구성될 수 있다. 도 7에는 명확하게 도시하지 않았으나, 코어 프로세서(1100)는 내부 또는 외부에 배치되는 캐시 메모리를 더 포함할 수 있다.

디스플레이 컨트롤러(1200)는 디스플레이 장치를 제어하여, 디스플레이 장치가 영상을 디스플레이하도록 할 수 있다.

인터페이스 장치(1300)는 통신 네트워크로 데이터를 전송하거나 통신 네트워크로부터 데이터를 수신하는 기능을 수행할 수 있다. 인터페이스 장치(1300)는 안테나 또는 유무선 트랜시버 등을 포함할 수 있다.

메모리 장치(1400)는 명령어 및/또는 데이터를 저장하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 메모리 장치(1400)는 SRAM(Static Random Access Memory), DRAM(Dynamic Random Access Memory)과 같은 휘발성 메모리 장치, 또는 ROM(Read Only Memory), EEPROM(Electrically Erasable and Programmable ROM), 플래시 메모리 장치(flash memory) 와 같은 비휘발성 메모리 장치를 포함할 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

주변 장치(1500)는 직렬 통신 장치, 메모리 관리 장치, 오디오 처리 장치 등의 장치를 포함할 수 있다.

전력 관리 장치(1600)는 코어 프로세서(1100), 디스플레이 컨트롤러(1200), 인터페이스 장치(1300), 메모리 장치(1400), 주변 장치(1500)에 전력을 공급할 수 있다. 전력 관리 장치(1600)는 배터리(1800)와 연결되어, 배터리(1800)로부터 전원 전압을 공급받을 수 있다.

전력 관리 장치(1600)는 도 4 또는 도 6을 참조하여 설명한 전력 관리 장치(100, 200)와 실질적으로 동일하게 구성될 수 있다.

도 8 내지 도 9는 도 7의 시스템이 적용되는 전자 기기의 예를 설명하기 위한 도면이다. 도 8은 스마트 폰(2000)을 도시한 것이고, 도 9는 태블릿(3000)을 도시한 것이다.

도 7의 시스템(1000)은 스마트 폰(2000) 또는 태블릿(3000) 등과 같은 임의의 휴대용 시스템의 구성 요소(예를 들어, SOC(System On Chip))로 제공될 수 있다.

시스템(1000)은 예시되지 않은 다른 전자 기기에도 적용될 수 있다. 예를 들어, 시스템(100)은 개인용 컴퓨터, UMPC(Ultra Mobile PC), 워크스테이션, 넷북(net-book), PDA(Personal Digital Assistants), 포터블(portable) 컴퓨터, 웹 타블렛(web tablet), 무선 전화기(wireless phone), 모바일 폰(mobile phone), e-북(e-book), PMP(portable multimedia player), 휴대용 게임기, 네비게이션(navigation) 장치, 블랙박스(black box), 디지털 카메라(digital camera), 3차원 수상기(3-dimensional television), 디지털 음성 녹음기(digital audio recorder), 디지털 음성 재생기(digital audio player), 디지털 영상 녹화기(digital picture recorder), 디지털 영상 재생기(digital picture player), 디지털 동영상 녹화기(digital video recorder), 디지털 동영상 재생기(digital video player), 정보를 무선 환경에서 송수신할 수 있는 장치, 홈 네트워크를 구성하는 다양한 전자 장치들 중 하나, 컴퓨터 네트워크를 구성하는 다양한 전자 장치들 중 하나, 텔레매틱스 네트워크를 구성하는 다양한 전자 장치들 중 하나, RFID 장치, 또는 컴퓨팅 시스템을 구성하는 다양한 구성 요소들 중 하나 등과 같은 전자 장치의 다양한 구성 요소들 중 하나로 제공될 수 있다.

본 발명의 실시예들과 관련하여 설명된 방법 또는 알고리즘의 단계는, 프로세서에 의해 실행되는 하드웨어 모듈, 소프트웨어 모듈, 또는 그 2 개의 결합으로 직접 구현될 수 있다. 소프트웨어 모듈은 RAM 메모리, 플래시 메모리, ROM 메모리, EPROM 메모리, EEPROM 메모리, 레지스터, 하드 디스크, 착탈형 디스크, CD-ROM, 또는 본 발명의 기술 분야에서 잘 알려진 임의의 형태의 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 상주할 수도 있다. 예시적인 기록 매체는 프로세서에 연결되며, 그 프로세서는 기록 매체로부터 정보를 독출할 수 있고 기록 매체에 정보를 기입할 수 있다. 다른 방법으로, 기록 매체는 프로세서와 일체형일 수도 있다. 프로세서 및 기록 매체는 주문형 집적회로(ASIC) 내에 상주할 수도 있다. ASIC는 사용자 단말기 내에 상주할 수도 있다. 다른 방법으로, 프로세서 및 기록 매체는 사용자 단말기 내에 개별 구성 요소로서 상주할 수도 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

100: 전력 관리 장치
110: 스위칭 서브 레귤레이터
111: DC-DC 스텝 다운 컨버터
112: 전압 배치 회로
120: LDO 레귤레이터
130: DC-DC 컨버터

Claims

입력 단자와, 출력 단자와, 상기 입력 단자와 상기 출력 단자 사이에 연결되는 인덕터와, 상기 출력 단자와 병렬 연결되는 커패시터를 포함하는 DC-DC 컨버터; 및
상기 인덕터를 흐르는 인덕터 전류를 감지하고, 가변 저항을 이용하여 상기 인덕터의 DCR(Direct Current Resistance)에 걸리는 전압을 드룹(droop) 전류로 변환하는 감지부와, 바이어스 전류와 상기 드룹 전류의 차에 대응하는 전류를 이용하여 상기 DC-DC 컨버터의 출력 단자에 전압 강하를 발생시키는 미러링부를 포함하는 전압 배치 회로를 포함하는, 스위칭 레귤레이터.
제1항에 있어서,
상기 전압 배치 회로의 감지부는,
상기 DC-DC 컨버터의 상기 입력 단자와 상기 출력 단자 사이에 상기 인덕터와 병렬 연결되는 감지 저항 및 감지 커패시터와,
제1 입력 단자는 상기 감지 저항과 상기 감지 커패시터 사이의 공통 노드에 연결되고, 제2 입력 단자는 상기 가변 저항을 통해 상기 DC-DC 컨버터의 상기 출력 단자에 연결되는 연산 증폭기를 포함하는, 스위칭 레귤레이터.
제2항에 있어서,
상기 감지 커패시터에 걸리는 전압은 상기 인덕터의 DCR에 걸리는 전압과 동일한, 스위칭 레귤레이터.
제2항에 있어서,
상기 가변 저항에 걸리는 전압은 상기 인덕터의 DCR에 걸리는 전압과 동일한, 스위칭 레귤레이터.
제4항에 있어서,
상기 드룹 전류는 상기 가변 저항을 흐르는, 스위칭 레귤레이터.
제2항에 있어서,
상기 전압 배치 회로의 감지부는,
상기 드룹 전류가 흐르는 제1 트랜지스터를 더 포함하고,
상기 연산 증폭기의 출력 단자는 상기 제1 트랜지스터의 게이트에 연결되는, 스위칭 레귤레이터.
제1항에 있어서,
상기 전압 배치 회로의 상기 미러링부는,
제2 트랜지스터 및 제3 트랜지스터를 포함하고, 상기 드룹 전류를 N/M의 비율로 카피(copy)한 미러링 전류를 생성하는 제1 미러링 회로를 포함하고,
상기 바이어스 전류와 상기 미러링 전류의 차에 대응하는 전류를 이용하여 상기 DC-DC 컨버터의 출력 단자에 전압 강하를 발생시키는, 스위칭 레귤레이터.
제7항에 있어서,
상기 전압 배치 회로의 상기 미러링부는,
제4 트랜지스터 및 제5 트랜지스터를 포함하고, 상기 미러링 전류를 카피하는 제2 미러링 회로와,
제6 트랜지스터 및 제7 트랜지스터를 포함하고, 상기 바이어스 전류와 상기 미러링 전류의 차에 대응하는 전류를 카피하는 제3 미러링 회로와,
상기 제2 미러링 회로의 제5 트랜지스터의 드레인 및 상기 제3 미러링 회로의 제6 트랜지스터의 드레인에 상기 바이어스 전류를 공급하는 바이어스 전류원을 포함하는, 스위칭 레귤레이터.
제1항에 있어서,
상기 전압 배치 회로의 상기 미러링부는,
상기 드룹 전류의 노이즈를 제거하는 로우 패스 필터를 더 포함하는, 스위칭 레귤레이터.
제9항에 있어서,
상기 전압 배치 회로의 상기 미러링부는,
제2 트랜지스터 및 제3 트랜지스터를 포함하고, 상기 드룹 전류를 N/M의 비율로 카피한 미러링 전류를 생성하는 제1 미러링 회로를 포함하고,
상기 로우 패스 필터는 상기 제2 트랜지스터의 게이트와 상기 제3 트랜지스터의 게이트의 사이에 연결되는, 스위칭 레귤레이터.
제1항에 있어서,
상기 전압 배치 회로는 상기 미러링부와 상기 DC-DC 컨버터의 출력 단자 사이에 연결되어 상기 미러링부의 전압 강하를 온오프하는 스위치부를 더 포함하는, 스위칭 레귤레이터.
제11항에 있어서,
상기 DC-DC 컨버터는 상기 출력 단자와 병렬 연결되는 제1 저항 및 제2 저항을 더 포함하고,
상기 스위치부는 상기 제1 저항과 상기 제2 저항 사이의 공통 노드에 연결되는, 스위칭 레귤레이터.
배터리와 연결되고, 상기 배터리의 전원 전압을 변환하여 제1 출력 전압을 생성하는 스위칭 서브 레귤레이터; 및
상기 스위칭 서브 레귤레이터와 연결되고, 상기 스위칭 서브 레귤레이터의 제1 출력 전압을 입력받고, 상기 제1 출력 전압을 변환하여 제2 출력 전압을 생성하는 다수의 LDO 레귤레이터를 포함하고,
상기 스위칭 서브 레귤레이터는,
입력 단자와, 출력 단자와, 상기 입력 단자와 상기 출력 단자 사이에 연결되는 인덕터와, 상기 출력 단자와 병렬 연결되는 커패시터를 포함하는 DC-DC 컨버터와,
상기 인덕터를 흐르는 인덕터 전류를 감지하고, 가변 저항을 이용하여 상기 인덕터의 DCR(Direct Current Resistance)에 걸리는 전압을 드룹(droop) 전류로 변환하는 감지부와, 바이어스 전류와 상기 드룹 전류의 차에 대응하는 전류를 이용하여 상기 DC-DC 컨버터의 출력 단자에 전압 강하를 발생시키는 미러링부를 포함하는 전압 배치 회로를 포함하는, 전력 관리 장치.
제13항에 있어서,
상기 스위칭 서브 레귤레이터의 상기 전압 배치 회로의 감지부는,
상기 DC-DC 컨버터의 상기 입력 단자와 상기 출력 단자 사이에 상기 인덕터와 병렬 연결되는 감지 저항 및 감지 커패시터와,
제1 입력 단자는 상기 감지 저항과 상기 감지 커패시터 사이의 공통 노드에 연결되고, 제2 입력 단자는 상기 가변 저항을 통해 상기 DC-DC 컨버터의 상기 출력 단자에 연결되는 연산 증폭기를 포함하는, 전력 관리 장치.
제14항에 있어서,
상기 감지 커패시터에 걸리는 전압 및 상기 가변 저항에 걸리는 전압은 상기 인덕터의 DCR에 걸리는 전압과 동일한, 전력 관리 장치.
제14항에 있어서,
상기 스위칭 서브 레귤레이터의 전압 배치 회로의 감지부는,
상기 드룹 전류가 흐르는 제1 트랜지스터를 더 포함하고,
상기 연산 증폭기의 출력 단자는 상기 제1 트랜지스터의 게이트에 연결되는, 전력 관리 장치.
제13항에 있어서,
상기 다수의 LDO 레귤레이터의 전류 용량은 서로 다른, 전력 관리 장치.
제13항에 있어서,
상기 스위칭 서브 레귤레이터는 상기 다수의 LDO 레귤레이터 중 전류 용량이 가장 큰 LDO 레귤레이터의 최대 전류에 따라 상기 전압 강하를 조절하는, 전력 관리 장치.
배터리와 연결되고, 상기 배터리의 전원 전압을 변환하여 제1 출력 전압을 생성하는 스위칭 서브 레귤레이터;
상기 스위칭 서브 레귤레이터와 연결되고, 상기 스위칭 서브 레귤레이터의 제1 출력 전압을 입력받고, 상기 제1 출력 전압을 변환하여 제2 출력 전압을 생성하는 다수의 LDO 레귤레이터; 및
상기 배터리와 연결되고, 상기 배터리의 전원 전압을 변환하여 제3 출력 전압을 생성하는 DC-DC 컨버터를 포함하고,
상기 스위칭 서브 레귤레이터는,
입력 단자와, 출력 단자와, 상기 입력 단자와 상기 출력 단자 사이에 연결되는 인덕터와, 상기 출력 단자와 병렬 연결되는 커패시터를 포함하는 DC-DC 컨버터와,
상기 인덕터를 흐르는 인덕터 전류를 감지하고, 가변 저항을 이용하여 상기 인덕터의 DCR(Direct Current Resistance)에 걸리는 전압을 드룹(droop) 전류로 변환하는 감지부와, 바이어스 전류와 상기 드룹 전류의 차에 대응하는 전류를 이용하여 상기 DC-DC 컨버터의 출력 단자에 전압 강하를 발생시키는 미러링부를 포함하는 전압 배치 회로를 포함하는, 전력 관리 장치.
데이터를 처리하는 프로세서;
상기 데이터를 저장하는 메모리; 및
상기 프로세서 및 상기 메모리에 공급되는 전력을 관리하는 전력 관리 장치를 포함하고,
상기 전력 관리 장치는,
배터리와 연결되고, 상기 배터리의 전원 전압을 변환하여 제1 출력 전압을 생성하는 스위칭 서브 레귤레이터와,
상기 스위칭 서브 레귤레이터와 연결되고, 상기 스위칭 서브 레귤레이터의 제1 출력 전압을 입력받고, 상기 제1 출력 전압을 변환하여 제2 출력 전압을 생성하는 다수의 LDO 레귤레이터를 포함하고,
상기 스위칭 서브 레귤레이터는,
입력 단자와, 출력 단자와, 상기 입력 단자와 상기 출력 단자 사이에 연결되는 인덕터와, 상기 출력 단자와 병렬 연결되는 커패시터를 포함하는 DC-DC 컨버터와,
상기 인덕터를 흐르는 인덕터 전류를 감지하고, 가변 저항을 이용하여 상기 인덕터의 DCR(Direct Current Resistance)에 걸리는 전압을 드룹(droop) 전류로 변환하는 감지부와, 바이어스 전류와 상기 드룹 전류의 차에 대응하는 전류를 이용하여 상기 DC-DC 컨버터의 출력 단자에 전압 강하를 발생시키는 미러링부를 포함하는 전압 배치 회로를 포함하는 시스템.