벅컨버터 COMP핀 주파수 보상회로 계산 시 R_ESR값

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안녕하세요, 제어쟁이입니다.

좋은 질문 감사합니다.

먼저 단위부터 정리하면, 강의자료에 사용된 값은 0.5mΩ가 아니라 5mΩ입니다.

그리고 여기서 말하는 R_ESR은 입력단에 있는 1200uF 벌크 커패시터의 ESR이 아니라, 인덕터 뒤쪽에 있는 출력 커패시터의 등가 ESR입니다.

즉, TPS54360의 COMP 핀 보상회로를 계산할 때 들어가는 R_ESR은 출력 커패시터가 가지는 ESR 때문에 생기는 zero 위치를 반영하기 위한 값입니다.

이번 회로에서는 출력단에 22uF 세라믹 커패시터 2개와 100nF 바이패스 커패시터를 사용했습니다. 100nF는 고주파 노이즈 대응용이고, 보상 계산에서 주로 보는 출력 커패시터는 22uF 두 개 병렬 구성입니다.

질문에서 말씀하신 0.5V / 0.58A로 계산한 값은 아닙니다.

여기서 0.5V는 부하 전류가 변할 때 허용하는 과도응답 전압 변동량입니다.
반면 0.58A는 인덕터에 흐르는 스위칭 리플 전류입니다.

두 값은 서로 다른 조건에서 나온 값이기 때문에 단순히 나누어서 ESR을 구하면 안 됩니다.

데이터시트에 나오는 “출력 리플 전압을 인덕터 리플 전류로 나누는 방식”은 실제 커패시터의 ESR을 구하는 식이라기보다는, 출력 리플 조건을 만족하기 위해 ESR이 어느 정도 이하이면 되는지를 확인하는 상한 검토식입니다.

예를 들어 출력 리플 요구조건을 0.12V로 보고, 인덕터 리플 전류를 0.58A로 보면 대략 0.207Ω, 즉 207mΩ 정도가 나옵니다.

이 말은 실제 ESR이 207mΩ이라는 뜻이 아니라, 출력 리플 관점에서 ESR이 이 값보다 충분히 작으면 된다는 의미입니다.

실제 사용한 세라믹 커패시터는 전해 커패시터와 다르게 ESR이 매우 낮습니다. 일반적으로 이런 MLCC는 고주파 영역에서 mΩ 단위의 낮은 ESR을 가지므로, 출력 리플 조건에서는 충분히 여유가 있습니다.

그래서 강의에서는 보상회로의 1차 계산을 위해 저 ESR 세라믹 커패시터의 대표값으로 5mΩ를 사용했습니다.

여기서 중요한 것은 “이 커패시터의 ESR이 정확히 5mΩ이다”라는 의미가 아니라, “저 ESR 세라믹 출력 커패시터를 사용했을 때 보상 계산에 반영하기 위한 대표 모델값”으로 이해하시면 됩니다.

TPS54360 같은 전류모드 벅 컨버터에서 출력 커패시터 ESR은 ESR zero라는 주파수 위치를 만듭니다. 쉽게 말하면, 출력 커패시터의 용량과 ESR 조합에 의해 제어 특성이 바뀌는 지점이 생긴다고 보면 됩니다.

강의 계산에서는 출력 커패시터를 약 37uF 수준으로 보고, ESR을 5mΩ로 두었습니다. 이 경우 ESR zero는 약 861kHz 부근에 생깁니다.

반면 실제 보상회로에서 목표로 잡은 크로스오버 주파수는 약 14kHz 수준입니다.

즉, ESR zero가 우리가 제어하려는 대역폭보다 훨씬 높은 곳에 있습니다. 그래서 실제 ESR이 5mΩ보다 조금 작거나 커지더라도, 이 설계에서 COMP 보상값이 크게 바뀌지는 않습니다.

예를 들어 실제 병렬 세라믹 커패시터의 등가 ESR이 5mΩ보다 더 낮다고 보면, ESR zero는 더 높은 주파수로 이동합니다. 하지만 이미 목표 크로스오버 주파수보다 충분히 높은 영역이기 때문에, 전체 보상 설계 결과에는 큰 영향을 주지 않습니다.

정리하면 다음과 같습니다.

1. 이 R_ESR은 입력 벌크 커패시터가 아니라 출력 커패시터 뱅크의 ESR입니다.

2. 5mΩ는 0.5V / 0.58A로 계산한 값이 아닙니다.

3. 0.5V는 과도응답 전압 변동 조건이고, 0.58A는 인덕터 리플 전류이므로 서로 나누면 안 됩니다.

4. 실제 사용한 22uF 세라믹 커패시터 2개 병렬 구성은 ESR이 매우 낮기 때문에 출력 리플 조건에서는 충분히 여유가 있습니다.

5. 보상회로 계산에서는 저 ESR MLCC의 대표 모델값으로 5mΩ를 사용했고, ESR zero가 목표 제어 대역보다 훨씬 높은 곳에 있기 때문에 설계 결과가 이 값에 크게 민감하지 않습니다.

따라서 강의에서 사용한 R_ESR = 5mΩ는 실제 부품 ESR을 전압/전류로 역산한 값이 아니라, TPS54360 보상회로 계산에서 저 ESR 세라믹 출력 커패시터의 특성을 반영하기 위해 사용한 대표값이라고 이해하시면 됩니다.

감사합니다.

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안녕하세요, 인프런 AI 인턴입니다. 장재영님.

벅컨버터의 COMP 핀 주파수 보상회로 설계에서 R_ESR 값을 계산하는 과정에 대해 설명드리겠습니다. 주파수 보상회로에서 R_ESR 값은 출력 커패시터의 등가 직렬 저항(Equivalent Series Resistance, ESR)을 나타내며, 이는 시스템의 전압 리플(specified output ripple voltage)과 전류 리플(current ripple)에 직접적인 영향을 미칩니다.

ESR 계산 및 주요 포인트

1. R_ESR의 의미: ESR은 출력 커패시터의 저항 성분으로, 이는 커패시터가 전류 리플에 어떻게 영향을 받는지를 결정합니다. ESR 값에 따라 시스템에서 발생할 수 있는 전압 리플이 달라지므로, 적절하게 설정하는 것이 중요합니다.

2. 계산 과정: 일반적으로 ESR은 데이터시트에 의해 명시되거나, 전류 리플(I_ripple)과 출력 리플 전압(V_ripple)를 통해 추론할 수 있습니다. 주어진 데이터에서 계산한 바와 같이 V_ripple / I_ripple의 값으로 추산된 0.5mΩ이라는 값은 어디에서 유래했느냐에 따라 차이가 있을 수 있지만, 종종 데이터시트나 초기 설계 가정에 기반하여 정해집니다.

3. 0.5mΩ 설정 유효성: 실제 데이터시트를 통한 계산에서는 커패시터 선정 시 적절한 값을 도출하기 위해 좀 더 정확한 파라미터가 필요할 수 있습니다. 예를 들어, 시험 조건이나 시뮬레이션 등을 통해 보다 적확한 ESR 값을 찾아갈 수 있습니다.

다음 링크들은 주파수 보상에 관련된 유용한 정보나 유사한 질문들을 다루고 있습니다:

• Resr 5m옴 관련하여 궁금합니다.
  
• 보상 회로 설계시 낮은 주파수 대역폭을 선택한 이유가 궁금합니다.
  

이러한 자료들은 벅컨버터 및 주파수 보상 설계에 대한 더 깊이 있는 이해를 돕는데 유익할 것입니다.

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