LDO-jänniteregulaattori piirin sisäiseen tehonhallintaan

Abstract

In this master’s thesis, design topologies and challenges of low-power, integrated low-dropout regulators have been studied. Various topologies have been examined and compared. Low-dropout regulators are commonly used in multitude of applications, ranging from high-power systems to battery powered mobile devices. The advantages of low-dropout regulators include simplicity, low noise and low input-output voltage drop. The main challenge in designing modern low-dropout regulators is achieving a high current efficiency by reducing the quiescent current consumption of the system. In addition, the compensation of regulators is challenging when the load current varies on a high dynamic range.

This thesis concentrates on designing an integrated low-dropout regulator with high dynamic range, good regulation performance and high current efficiency. Based on the topology study, the regulator was designed around a class AB error amplifier, the main advantage of which is the independency between the quiescent and output currents. High dynamic performance on large load currents was achieved by utilizing an adaptive biasing circuit for the amplifier. In addition, a switched feedback resistor network was designed in order to adjust the output voltage and improve the dynamic performance. The selected circuit topologies were used to design and simulate a fully integrated implementation and a regulator with an external capacitor in order to supply current for a digital load.

Tässä diplomityössä on tutkittu matalatehoisten, integroitujen low-dropout -regulaattorien rakenteita sekä suunnitteluhaasteita. Työssä tutkittiin ja vertailtiin erilaisia toteutustopologioita. Low-dropout -regulaattoreita käytetään monenlaisissa sovelluksissa ulottuen korkeatehoisista järjestelmistä akkukäyttöisiin mobiililaitteisiin. Low-dropout -regulaattorien etuihin kuuluvat yksinkertaisuus, matala kohina sekä pieni tulon ja lähdön välinen jännite-ero. Modernien low-dropout regulaattorien pääasialliset suunnitteluhaasteet kohdistuvat korkean virtahyötysuhteen saavuttamiseen pienentämällä lepovirtaa. Lisäksi regulaattorien kompensointi on haasteellista kun lähtövirran vaihtelualue on laaja.

Työssä on keskitytty suunnittelemaan integroitu regulaattori, jolla on laaja lähtövirran vaihtelualue, hyvä regulointikyky sekä korkea virtahyötysuhde. Topologiavertailun perusteella regulaattori suunniteltiin käyttäen AB-luokan virhevahvistinta, jonka hyöty on biasvirran ja lähtövirran riippumattomuus toisistaan. Korkea dynaaminen suorituskyky suurilla kuormavirroilla saavutettiin käyttämällä vahvistimen biasoinnissa adaptiivista biaspiiriä. Lisäksi työssä suunniteltiin kytketty vastusverkko lähtöjännitteen säätämiseksi sekä suorituskyvyn parantamiseksi. Valittuja toteutustopologioita käyttämällä suunniteltiin kokonaan integroitu regulaattori sekä erillinen toteutus ulkoisella lähtökondensaattorilla jotta regulaattori pystyisi ajamaan digitaalista kuormaa.