Jenis Switching Mode Power Supply
Switching Mode Power Supply
Switching Mode Power Supply kini semakin umum dan telah menggantikan sumber daya linier AC-to-DC tradisional dalam sebagian besar kasus. Hal ini dilakukan untuk mengurangi konsumsi daya, mengurangi pembuangan panas, serta ukuran dan bobot.
Switch Mode Power Supply kini dapat ditemukan pada sebagian besar komputer pribadi (PC), penguat daya, televisi, penggerak motor DC, dll., dan hampir semua perangkat yang membutuhkan sumber daya yang sangat efisien, karena sumber daya mode sakelar semakin menjadi teknologi yang lebih matang.
Secara definisi, Switch Mode Power Supply (SMPS) adalah jenis sumber daya yang menggunakan teknik switching semikonduktor, bukan metode linier standar, untuk memberikan tegangan keluaran yang diperlukan. Konverter switching dasar terdiri dari tahap switching daya dan rangkaian kontrol.
Tahap switching daya melakukan konversi daya dari tegangan masukan rangkaian, VIN, ke tegangan keluarannya, VOUT, yang mencakup penyaringan keluaran.
Keuntungan utama dari sumber daya daya beralih mode adalah efisiensinya yang lebih tinggi dibandingkan dengan regulator linier standar, dan hal ini dicapai dengan melakukan switching internal pada transistor (atau power MOSFET) antara keadaan "ON" (jenuh) dan "OFF" (putus), keduanya menghasilkan daya yang lebih rendah terbuang.
Ini berarti ketika transistor switching sepenuhnya "ON" dan menghantarkan arus, penurunan tegangan melalui transistor berada pada nilai minimalnya, dan ketika transistor sepenuhnya "OFF", tidak ada arus yang mengalir melaluinya. Jadi transistor berperan seperti saklar ON/OFF yang ideal.
Tidak seperti regulator linier yang hanya menawarkan regulasi tegangan turun, sumber daya beralih mode dapat menyediakan regulasi tegangan turun, tegangan naik, dan negasi tegangan masukan menggunakan satu atau lebih dari tiga topologi dasar rangkaian mode beralih: Buck, Boost, dan Buck-Boost. Nama-nama ini merujuk pada bagaimana transistor switching, induktor, dan kapasitor pelicin terhubung bersama dalam rangkaian SMPS dasar.
Baca Juga Tentang Cara Menggabung 2 Trafo Untuk Menambah Amper
Switching Mode Power Supply Tipe Buck
Buck switching regulator adalah jenis rangkaian sumber daya catu daya tipe switch mode yang dirancang untuk secara efisien mengurangi tegangan DC dari tingkat yang lebih tinggi menjadi lebih rendah, tanpa mengubah polaritasnya. Dengan kata lain, regulator switching buck adalah rangkaian regulator langkah-turun, sehingga misalnya konverter buck dapat mengubah tegangan +12 volt menjadi +5 volt.
Regulator switching buck adalah konverter DC-to-DC dan salah satu jenis regulator switching yang paling sederhana dan populer. Ketika digunakan dalam konfigurasi sumber daya catu daya tipe switch mode, regulator switching buck menggunakan transistor seri atau power MOSFET (idealnya transistor bipolar gerbang terisolasi, atau IGBT) sebagai komponen switching utamanya, seperti yang ditunjukkan di bawah ini.
 |
| Contoh sekema power supply switching tipe buck |
Regulator Switching Buck
Konfigurasi dasar rangkaian untuk konverter buck terdiri dari transistor saklar seri, yang disebut TR1, dengan sirkuit pengendali yang menjaga tegangan keluaran sesuai dengan level yang diinginkan, sebuah dioda, D1, induktor, L1, dan kapasitor penyaring, C1. Konverter buck memiliki dua mode operasi, tergantung pada apakah transistor saklar TR1 dalam keadaan "ON" atau "OFF".
Ketika transistor dalam keadaan "ON" (saklar tertutup), dioda D1 menjadi terbalik bias dan tegangan masukan, VIN, menyebabkan arus mengalir melalui induktor ke beban terhubung pada keluaran, mengisi kapasitor C1.
Ketika arus yang berubah mengalir melalui kumparan induktor, ia menghasilkan tegangan emf mundur yang melawan arus, sesuai dengan hukum Faraday, sampai mencapai keadaan stabil yang menciptakan medan magnet di sekitar induktor L1. Situasi ini berlangsung secara berkelanjutan selama TR1 tetap tertutup.
Ketika transistor TR1 dalam keadaan "OFF" (saklar terbuka) oleh rangkaian pengendali, tegangan masukan secara instan terputus dari rangkaian pemancar menyebabkan medan magnet di sekitar induktor runtuh dan menginduksi tegangan terbalik di sepanjang induktor.
Tegangan terbalik ini menyebabkan dioda menjadi maju biasa, sehingga energi yang tersimpan dalam medan magnet induktor memaksa arus tetap mengalir melalui beban dalam arah yang sama, dan kembali melalui dioda.
Kemudian, induktor L1 mengembalikan energi yang tersimpannya kembali ke beban, bertindak seperti sumber dan menyuplai arus hingga seluruh energi induktor kembali ke rangkaian atau hingga saklar transistor terbuka kembali, tergantung mana yang terjadi lebih dulu. Pada saat yang sama, kapasitor juga mengalami pembongkaran dan menyuplai arus ke beban. Kombinasi antara induktor dan kapasitor membentuk filter LC yang meratakan setiap riak yang dihasilkan oleh aksi saklar transistor.
Oleh karena itu, ketika saklar transistor padat dalam keadaan tertutup, arus disuplai dari sumber daya, dan ketika saklar transistor dalam keadaan terbuka, arus disuplai oleh induktor. Perlu dicatat bahwa arus yang mengalir melalui induktor selalu dalam arah yang sama, baik langsung dari sumber daya atau melalui dioda, tetapi pada waktu yang berbeda dalam siklus saklar.
Karena saklar transistor terus-menerus ditutup dan dibuka, nilai tegangan keluaran rata-ratanya berkaitan dengan siklus tugas, yang didefinisikan sebagai waktu konduksi saklar transistor selama satu siklus saklar lengkap.
Siklus Kerja Switching Mode Power Supply Buck
Jadi, semakin besar duty cycle, semakin tinggi tegangan rata-rata DC keluaran dari sumber daya mode sakelar. Dari sini, kita juga dapat melihat bahwa tegangan keluaran selalu lebih rendah daripada tegangan masukan karena duty cycle, D, tidak pernah mencapai satu (kesatuan), yang menghasilkan regulasi tegangan penurunan langkah.
Regulasi tegangan diperoleh dengan mengubah duty cycle dan dengan kecepatan switching yang tinggi, hingga 200kHz, komponen yang lebih kecil dapat digunakan, sehingga sangat mengurangi ukuran dan bobot sumber daya mode sakelar.
Keuntungan lain dari konverter buck adalah pengaturan arus induktor-kapasitor (LC) yang memberikan penyaringan yang sangat baik terhadap arus induktor. Idealnya, konverter buck harus dioperasikan dalam mode switching kontinu sehingga arus induktor tidak pernah jatuh menjadi nol. Dengan komponen ideal, yaitu tanpa penurunan tegangan dan kerugian switching dalam keadaan "ON", konverter buck ideal dapat mencapai efisiensi hingga 100%.
Switching Mode Power Supply Boost
Selain regulator switching buck yang menurunkan tegangan sebagai desain dasar dari sumber daya mode sakelar, terdapat juga jenis regulator switching lain yang berfungsi sebagai regulator tegangan step-up yang disebut Boost Converter.
Regulator switching Boost adalah jenis rangkaian sumber daya mode sakelar lainnya. Rangkaian ini memiliki komponen yang sama dengan konverter buck sebelumnya, tetapi dalam posisi yang berbeda. Konverter boost dirancang untuk meningkatkan tegangan DC dari level yang lebih rendah menjadi level yang lebih tinggi, yaitu menambah atau "meng-boost" tegangan pasokan, sehingga meningkatkan tegangan yang tersedia di terminal output tanpa mengubah polaritasnya. Dengan kata lain, regulator switching boost adalah rangkaian regulator step-up, sehingga misalnya konverter boost dapat mengubah tegangan +5 volt menjadi +12 volt.
Sebelumnya, kita telah melihat bahwa regulator switching buck menggunakan transistor sakelar seri dalam desain dasarnya. Perbedaan dengan desain regulator switching boost adalah penggunaan transistor sakelar yang terhubung secara paralel untuk mengontrol tegangan output dari sumber daya mode sakelar.
Karena sakelar transistor efektif terhubung paralel dengan output, energi listrik hanya mengalir melalui induktor ke beban saat transistor dalam keadaan "MATI" (sakelar terbuka), seperti yang ditunjukkan.
Regulator Pemacu (Boost Switching Regulator)
 |
| Contoh sekema power supply switching tipe boost |
Dalam rangkaian Boost Converter, ketika saklar transistor berada dalam kondisi menyala penuh, energi listrik dari sumber daya masuk (VIN) melewati induktor dan saklar transistor dan kembali ke sumber daya. Akibatnya, tidak ada energi yang melewati ke output karena saklar transistor yang jenuh efektif menciptakan hubung singkat ke output.
Hal ini menyebabkan peningkatan arus yang mengalir melalui induktor karena memiliki jalur yang lebih pendek untuk kembali ke sumber daya. Sementara itu, dioda D1 menjadi terbias terbalik karena anodanya terhubung ke ground melalui saklar transistor, dengan tingkat tegangan pada output tetap relatif konstan saat kapasitor mulai mengosongi muatan melalui beban.
Ketika transistor dalam kondisi mati penuh, sumber daya masukan sekarang terhubung ke output melalui induktor dan dioda yang terhubung seri. Saat medan induktor berkurang, energi yang diinduksi yang tersimpan dalam induktor didorong ke output oleh VIN melalui dioda yang sekarang terbias maju.
Hasil dari semua ini adalah tegangan yang diinduksi pada induktor L1 berbalik dan menambah tegangan dari sumber daya masukan, sehingga meningkatkan tegangan total output menjadi VIN + VL.
Arus saat ini dari kapasitor penyampai, C1 yang digunakan untuk mensuplai beban ketika saklar transistor ditutup, sekarang kembali ke kapasitor melalui pasokan input melalui dioda. Kemudian arus yang disuplai ke kapasitor adalah arus dioda, yang selalu berada dalam keadaan "ON" atau "OFF" karena dioda terus-menerus beralih antara status maju dan mundur oleh aksi saklar transistor. Oleh karena itu, kapasitor penyampai harus cukup besar untuk menghasilkan keluaran yang stabil.
Saat tegangan induksi pada induktor L1 bersifat negatif, tegangan ini menambahkan tegangan sumber, VIN, memaksa arus induktor masuk ke beban. Tegangan keluaran pada keadaan tetap boost converter diberikan oleh:
Sama seperti buck converter sebelumnya, tegangan keluaran dari boost converter bergantung pada tegangan masukan dan siklus tugas. Oleh karena itu, dengan mengontrol siklus tugas, regulasi keluaran dapat dicapai. Penting juga untuk dicatat bahwa persamaan ini tidak tergantung pada nilai induktor, arus beban, dan kapasitor keluaran.
Seperti yang telah kita lihat sebelumnya, operasi dasar rangkaian sumber daya switch mode non-isolasi dapat menggunakan konfigurasi buck converter atau boost converter tergantung pada apakah kita membutuhkan tegangan keluaran langkah turun (buck) atau langkah naik (boost). Meskipun buck converter mungkin lebih umum digunakan dalam konfigurasi switching SMPS, boost converter sering digunakan dalam aplikasi rangkaian kapasitif seperti pengisi baterai, lampu kilat foto, lampu kilat stroboskop, dll, karena kapasitor menyuplai seluruh arus beban saat saklar ditutup.
Namun, kita juga dapat menggabungkan kedua topologi switching dasar ini menjadi satu rangkaian regulator switching non-isolasi yang disebut Buck-Boost Converter.
Switching Mode Power Supply Buck-Boost
Regulator switching Buck-Boost adalah kombinasi dari buck converter dan boost converter yang menghasilkan tegangan keluaran terbalik (negatif) yang bisa lebih besar atau lebih kecil daripada tegangan masukan berdasarkan siklus tugas. Buck-boost converter merupakan variasi dari rangkaian boost converter di mana konverter inverting hanya mengirimkan energi yang disimpan oleh induktor L1 ke beban. Konfigurasi dasar rangkaian sumber daya switch mode buck-boost diberikan di bawah ini.
Regulator Switching Buck-Boost
 |
| Contoh sekema power supply switching tipe buck boost |
Saat saklar transistor, TR1, dalam keadaan tertutup sepenuhnya, tegangan di sepanjang induktor sama dengan tegangan pasokan sehingga induktor menyimpan energi dari pasokan masukan. Tidak ada arus yang dikirimkan ke beban terhubung pada keluaran karena dioda, D1, dalam keadaan terbias terbalik. Ketika saklar transistor dalam keadaan terbuka sepenuhnya, dioda menjadi terbias maju dan energi yang sebelumnya tersimpan di induktor ditransfer ke beban.
Dengan kata lain, ketika saklar dalam keadaan "NYALA", energi disalurkan ke induktor oleh pasokan DC (melalui saklar), sedangkan tidak ada energi yang langsung diberikan ke keluaran. Ketika saklar dalam keadaan "MATI", tegangan di sepanjang induktor berbalik arah karena induktor menjadi sumber energi sehingga energi yang sebelumnya tersimpan dalam induktor beralih ke keluaran melalui dioda. Tidak ada energi yang langsung berasal dari sumber DC masukan. Jadi, tegangan yang jatuh di sepanjang beban ketika transistor saklar dalam keadaan "MATI" sama dengan tegangan pada induktor.
Akibatnya, besarnya tegangan keluaran yang terbalik dapat lebih besar, lebih kecil, atau sama dengan besarnya tegangan masukan, tergantung pada siklus tugas. Sebagai contoh, konverter buck-boost positif-ke-negatif dapat mengubah 5 volt menjadi 12 volt (naik) atau 12 volt menjadi 5 volt (turun).
Tegangan keluaran dalam keadaan mantap (VOUT) dari regulator switching buck-boost dinyatakan sebagai:
Secara keseluruhan, regulator switching buck-boost menggunakan operasi saklar transistor dalam keadaan nyala-mati dan kemampuan transfer energi dari induktor dan dioda untuk mengubah tingkat tegangan secara efisien. Fleksibilitas ini memungkinkan konversi tegangan naik dan turun, menjadikannya komponen yang berharga dalam berbagai aplikasi elektronik.
Regulasi buck-boost mendapatkan namanya karena mampu menghasilkan tegangan output yang dapat lebih tinggi (seperti tahap penguatan) atau lebih rendah (seperti tahap buck) dalam besaran dibandingkan dengan tegangan input. Namun, tegangan output memiliki polaritas yang berlawanan dengan tegangan ini.
Baca juga tentang jenis-jenis power amplifier
Ringkasan Sistem Switching Mode Power Supply
Sistem Switching Mode Power Supply SMPS, menggunakan saklar semikonduktor untuk mengubah tegangan input DC yang tidak teratur menjadi tegangan output DC yang teratur dan stabil pada tingkat tegangan yang berbeda. Sumber input dapat berupa tegangan DC yang sejati dari baterai atau panel surya, atau tegangan DC yang di-rectify dari pasokan AC menggunakan jembatan dioda dan beberapa penyaringan kapasitif tambahan.
Dalam banyak aplikasi pengendalian daya, transistor daya, MOSFET atau IGFET, dioperasikan dalam mode saklar di mana ia diaktifkan dan dinonaktifkan secara berulang dengan kecepatan tinggi. Keuntungan utama dari hal ini adalah efisiensi daya regulator yang dapat cukup tinggi karena transistor tersebut entah sepenuhnya aktif dan menghantarkan (jenuh) atau sepenuhnya tidak aktif (putus).
Terdapat beberapa jenis konverter DC-to-DC (berbeda dengan konverter DC-to-AC yang merupakan inverter) yang tersedia, dengan tiga topologi catu daya mode switch dasar yang dilihat di sini adalah Buck, Boost, dan regulator switch Buck-Boost. Ketiga topologi ini tidak terisolasi, artinya tegangan input dan outputnya berbagi jalur ground yang sama.
Setiap desain regulator switch memiliki karakteristik uniknya sendiri dalam hal siklus tugas pada keadaan mantap, hubungan antara arus input dan output, serta riak tegangan output yang dihasilkan oleh saklar semikonduktor. Sifat penting lain dari topologi-topologi sistem catu daya mode switch ini adalah respons frekuensi dari operasi saklar terhadap tegangan output.
Regulasi tegangan output dicapai dengan mengontrol persentase waktu transistor switch berada dalam keadaan "ON" dibandingkan dengan total waktu ON/OFF. Rasio ini disebut siklus tugas, dan dengan memvariasikan siklus tugas (D), magnitudo tegangan output (VOUT) dapat dikontrol.
Penggunaan satu induktor dan dioda, serta sakelar padat dengan kemampuan beralih cepat yang dapat beroperasi pada frekuensi beralih dalam rentang kilohertz, dalam desain sumber daya mode sakelar (switch mode power supply), memungkinkan ukuran dan bobot sumber daya tersebut dikurangi secara signifikan.
Hal ini dikarenakan tidak ada transformator tegangan langkah bawah (atau langkah atas) yang besar dan berat dalam desain tersebut. Namun, jika isolasi listrik diperlukan antara terminal input dan output, sebuah transformator harus dimasukkan sebelum konverter.
Dua konfigurasi sakelar non-terisolasi yang paling populer adalah konverter buck (pengurangan) dan boost (penambahan).
Konverter buck adalah jenis sumber daya mode sakelar yang dirancang untuk mengkonversi energi listrik dari satu tegangan menjadi lebih rendah. Konverter buck beroperasi dengan menggunakan transistor sakelar yang disambung seri. Karena siklus tugas (D) selalu kurang dari 1, tegangan output (Vout) konverter buck selalu lebih kecil daripada tegangan input (Vin).
Pengubah daya naik adalah jenis sumber daya switch-mode yang dirancang untuk mengubah energi listrik dari satu tegangan menjadi lebih tinggi. Pengubah daya naik beroperasi dengan menggunakan transistor pengalih yang terhubung secara paralel, sehingga terbentuk jalur arus searah antara VIN (tegangan masukan) dan VOUT (tegangan keluaran) melalui induktor L1 dan dioda D1. Hal ini berarti tidak ada perlindungan terhadap hubung singkat pada keluaran.
Dengan memvariasikan siklus tugas (D) pengubah daya naik, tegangan keluaran dapat dikontrol. Dengan D < 1, keluaran arus searah dari pengubah daya naik lebih besar dari tegangan masukan VIN sebagai akibat dari tegangan yang diinduksi sendiri oleh induktor.
Selain itu, kapasitor pelicin keluaran dalam Sumber Daya Mode-Sakelar diasumsikan sangat besar, sehingga menghasilkan tegangan keluaran yang konstan dari sumber daya mode sakelar selama aksi pengalihan transistor.
