A high-speed low-dropout voltage regulator using a compact output driver

Orientadores: Elnatan Chagas Ferreira, Sandro Augusto Pavlik HaddadTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: Ao longo dos anos, microcontroladores tornaram-se mais rápidos e mais poderosos em sua capacidade de processamento graças à evolução dos processos de fabricação. Os novos processos CMOS de menores geometrias exigem tolerâncias menores quanto à tensão de ali-mentação. A lógica digital nesses dispositivos exige que o regulador interno forneça uma ten-são de alimentação estável e precisa, muitas vezes sem o auxílio de um capacitor externo de desacoplamento, o que torna o projeto do regulador uma tarefa árdua devido à natureza da carga digital. São milhões de portas lógicas comutando simultaneamente que ocasionam picos de corrente que podem atingir dezenas de vezes o valor médio do consumo de corrente. Como resultado, o regulador interno deve ser projetado para atender a esse perfil de carga, especial-mente durante as transições de modos de operação. Em outras palavras, quando o microcon-trolador sai de um modo de ultrabaixo consumo (de poucos microampères) para outro modo de operação de alto consumo de potência (dezenas ou centenas de miliampères) e vice-versa. Esse trabalho apresenta a implementação de um regulador LDO (low dropout) utilizan-do um dispositivo de saída NMOS que não sofre de problemas de estabilidade em altas fre-quências. A nova topologia alcança redução de área de silício significativa no estágio de saída e resposta transitória muito rápida para transições agressivas de carga, sem a necessidade de capacitor externo. Um protótipo do circuito proposto foi implementado em tecnologia CMOS split gate TFS (Thin Film Storage) de 90 nm. O silício foi encapsulado em QFP64 e avaliado em labora-tório nas dependências da NXP Semiconductors Brasil. Outra versão do circuito, em processo CMOS 55 nm, já está em produção, foi caracterizado e qualificado em ambiente automotivo. As medidas em laboratório demonstraram que o novo circuito responde extremamente rápido aos transientes de carga na versão fabricada em tecnologia CMOS 90 nm. Isso o torna apropri-ado para aplicações em microcontroladores (cargas predominantemente digitais). Na versão fabricada em 55 nm, mais de uma centena de peças foram medidas em pro-cesso (split lots) e temperatura e serviram para demonstrar que o circuito pode ser projetado também para aplicações focando baixo consumo energiaAbstract: Modern power management System-on-a-Chip (SoC) design demands for fully integrat-ed solutions in order to decrease certain costly features such as the total chip area and the power consumption while maintaining or increasing the regulator response during aggressive load variations. Low-Dropout (LDO) voltage regulators, as power management devices, must comply with these recent technological and industrial trends. On-chip embedded LDO voltage regulators have to deliver stable and accurate local supply voltages to digital circuits that draw large and fast slew-rate current peaks, characteris-tics that are difficult to implement when off-chip inductors and capacitors are not used. The structure and frequency compensation scheme of classical LDO regulators, especially with low-voltage designs, present a trade-off between stability and transient response of the LDO regulator. To improve load regulation under large and fast load variations in linear regulators, it is necessary to employ large area output drivers. Thus, besides stability issues, another diffi-culty in designing LDOs is to create a compact driver with good load regulation and a fast transient response under large load variations. This manuscript presents a novel topology of a capacitor-free CMOS LDO regulator utilizing a compact NMOS output driver. The new output driver cell achieves low voltage ripple and very fast transient response under large load steps with a small silicone area. The circuit has been implemented in a 90 nm CMOS process technology. Silicon results demonstrated a transient loop response faster than 30 ns to a load variation of four orders of magnitude. Another version of the circuit has been implemented in a 55 nm CMOS technology. Alt-hough primarily targeted to attain low power requirements, this version has been qualified to meet industry standard automotive specifications and is currently in production as part of the Power Management Controller (PMC) block integrated within a family of MCUs used in au-tomotive and industrial powertrainDoutoradoEletrônica, Microeletrônica e OptoeletrônicaDoutor em Engenharia Elétric