Voltage Regulator (전원 레귤레이터)

<What is Voltage Regulator?>

 충, 방전과정에서 전압 값이 계속 바뀌는 배터리 등으로부터 안정적인 전압을 얻어내기 위한 IC. (Ex, 아두이노와 같이 계속해서 5V의 동작전압이 필요한 경우에 불안전한 배터리에서 일정한 전원을 얻어 내기 위함)

 

1) LDO (Low Dropout Volatege Regulator)

[Circuit Diagram of TPS7A47]

 

> DC Linear Voltage Regulator with Low Dropout Voltage (Possible even supply voltage is very close to the output voltage)

> What is Dropout voltage?: LDO안의 트랜지스터가 안정적으로 동작하기 위해 필요한 입출력의 최저 전압차.

-> Dropout voltag가 크면 클수록 더 많은 열을 발생하게 되며, 에너지를 낭비하게 되고 열이 너무 많아 나게 되면 회로의 손상과 함께 IC의 수명을 줄일 수 있음

-> 또한, 입출력 전위차가 Dropout voltage 이하인 경우, 트랜지스터는 안정적인 동작을 유지할 수 없으며 출력전압이 저하됨.

 

>장점

1. Buck, Boost Converter과 같이 모스펫을 이용한 Swithcing Regulator에서 생기는 Switching Noise가 없음 (<- No Switching take places)

2. Can be made only by Amplifier, Transistor (MOSFET or BJT) and Voltage reference: IC를 단순화시킬 수 있고, 소형화시킬 수 있음

3. 기존의 높은 Dropout voltage로 인한 발열을 최소화시킬 수 있으며, 이를 통해 전력 소비를 줄이고 소자의 안정성을 높일 수 있음

 

 

* Terminal and Principle of Operation of TPS7A47

> Input, Output단의 캐패시터: ripple을 줄여 noise를 줄이기 위함

> UVLO: 인풋 전압이 특정 Threshold를 넘었을 때만 회로가 작동하도록 하는 역할

★> Bandgap voltage reference: 트랜지스터의 에미터와 베이스의 전압을 이용한 정전압소자로 공급전압의 변화나, 온도의 변화, 로드 저항에 상관없이 일정한 전압을 만드는 CMOS circuit.

-> 트랜지스터의 에미터, 베이스 사이의 전압을 이용하면 온도에 대한 변동이 발생하는 것 아닌가? (컬렉터 전류에 온도에 의한 변수가 포함)

=>온도에 의한 Drift를 상쇄하여 온도의 변화에 영향을 거의 받지 않는 Reference 전압의 CMOS Circuit을 통해 구현 가능  (구현 원리는 굉장히 복잡)

> LDO는 실제로 사용될 때 Resistor Divider에 의한 Feedback Loop 형태로 사용됨: 입력전압이 흔들리더라도 피드백을 통해 안정된 출력전압을 얻기 위함

-> 원하는 출력전압을 위해 적절한 Bandgap Reference로부터 적절한 Reference Voltage값을 설정하고, Vref, R1, R2 값의  의해 feedback의 강도가 결정됨.

 

Ex) 

1. 만약 배터리의 충전 등에 의해 갑자기 Input Volatege 상승하게 되면 Output Voltage 또한 순간적으로 상승하게 되며, 출력단에 있는 R1과 R2에 의해 전압이 분배되어 오른쪽의 non inverting amp의 +단자(SENSE/FB)부분에 인가되게 됨.

 

2. 이때 평상시보다 +단자에 더 큰 전압이 걸리게 되고, amp에서는 +단자에 인가된 전압과 왼쪽 amp를 통해 출력된 전압의 차이를 출력하게 됨.

 

3. 왼쪽 amp는 Bandgap voltage와 다양한 아웃풋 volatege range를 위한 핀들이 입력단자에 연결되어 있으며, 이는 곧 Reference전압을 출력하는 역할을 하게 됨.

 

4. 따라서 Output Voltage가 상승하게 되면 오른쪽 amp에 의해 출력된 +단자와 reference voltage간의 차이또한 커지게 되며 그 차이가 Transistor의 Gate나 Base에 인가되며 평소보다 큰 전압이 인가되므로 더 큰 드레인 전류 혹은 컬렉터 전류가 흐르게 되고, 이로 인해 트랜지스터의 등가저항 부분에는 더 큰 전압강하가 일어나 결국 출력전압을 낮추어주게 되는 식으로 피드백이 이루어지고, 전압이 일정하게 유지되게 됨

 

5. 즉, 여기서 사용된 트랜지스터는 Bandgap referenc와 Output Voltage간의 차이를 유지시키는 역할을 하게 되는데, 일반적인 LDO의 경우 MOS를 사용하지만 TPS7A47의 경우 추가적인 전력이 손실되는데도 BJT를 사용 (더욱 정밀하고, 정확함을 요구하는 기기를 위한 Clean DC Voltage를 만들기 위해)

 

2) Switching Voltage Regulator

> Buck, Boost Converter 회로의 원리를 이용한 Voltage Regulator: MOSFET 4개를 이용하여 Feedback system을 통해 전압을 낮추어야할 경우 Gate Control을 통해 Buck converter mode를, 전압을 높여야 할 경우 Boost converter mode를 진행 (2개의 MOS가 Converter의 역할을 하면 자동으로 남은 두 개의 MOS는 다이오드의 역할: Buck-Boost Converter의 호환)

 

*What is Buck, Boost Converter?

> 두 컨버터 모두 DC의 값을 바꾸기 위한 소자로 Inductor와 Capacitor의 에너지소자와 함께 Duty ratio을 이용하여 DC 전압의 값을 조정할 수 있음

->Duty ratio (Cycle): 입력전압이 Turn on되는 주기 (Inductor와 Capacitor의 경우 DC의 상태에서는 에너지가 저장되지 않으므로, DC 입력전압에 일종의 AC를 입혀주는 과정이라 생각하면 됨)

 

*Terminals of TPS6300X

>Capacitors at the input and output stages reduce ripples

>GND: Ground for Analog Signal

>PGND: Ground for Output Power

>Voltage Feedback: Continued to measure the value of the output voltage

>VINA: Supply Voltage for Control Stage

→ Device is automatically shutdown if VINA<UVLO (Undervoltage lockout threshold)

>EN: Device Enable

→ Device operates when EN is 1, and shutdown when EN is 0

>PS/SYNC: Power-Save Mode Controller