Perhitungan parameter operasi power stage dari flyback converter

[ [ Flyback Converter Topology ] ]

Di dua artikel sebelumnya telah dipaparakan bahan belajar mengenai induktor (flyback transformer) dan mengenai bagaimana dasar opearasi suatu flyback converter. Di artikel ini akan dipaparkan sumber-sumber belajar untuk melakukan perhitungan parameter operasi dari topologi flyback (power stage/open loop).

Sebagaimana artikel sebelumnya di sini pun akan dipakai sumber-sumber belajar yang bebas pakai dan secara legal gratis oleh mahasiswa (atau oleh siapa pun). Beberapa berupa dokumen dari perusahaan-perusahaan produsen komponen elektronika, tetapi ada juga yang merupakan ebook yang dibuka untuk publik oleh penulisnya.

[ Semua gambar di bawah ini dapat dilihat versi tampilan yang lebih besar dengan cara melakukan klik-kanan di gambar lalu memilih “Open image in new tab” pada browser. ]

Gambar 1. Perhitungan dasar untuk rasio trafo [sumber].

Bagian berikut ini saya kutip dari EE155/255 – Green Electronics Course Note.

Suatu isolated converter umumnya dipergunakan jika diperlukan suatu isolasi antara input dengan output. Juga dipergunakan jika rasio step-up atau step-down sangat besar. Flyback converter pada dasarnya adalah suatu isolated converter, dengan beberapa perkecualian saat umpan balik dari sisi sekunder diterima controller tanpa menggunakan optocoupler. Isolasi dan rasio tegangan umumnya diperoleh dengan mempergunakan transformer

Gambar 2. Model transformer dengan N adalah turns ratio  [sumber].

Notasi N yang merupakan turns ratio (perbandingan gulungan) antara kedua sisi transformer (trafo). Ada beberapa variasi penulisan rasio ini, seperti nn, n2, N2 dan seterusnya. Apakah ditulis sama sebagai N atau ditulis berbeda, pembaca perlu waspada dan mencari tahu apakah arti sesungguhnya yang dimaksud dengan notasi itu di setiap sumber informasi. Karena beberapa sumber menggunakan perbandingan yang berbeda. Jangan sampai yang kita pahami terbalik dari maksud yang sesungguhnya hendak disampaikan oleh sumber informasi itu.

Gambar 3. Persamaan untuk model transformer ideal [sumber].

Persamaan di Gambar 3 hanyalah rangkuman, keterangan penjelas yang lebih lengkap terdapat di dokumen sumber.

Gambar 4. Perhitungan flyback topology, power stage [sumber].

Di Gambar 4, penting untuk memperhatikan eq (10.1) dan (10.2) dan memperhatikan maksud notasi N. Bayangkan sejenak bagaimana cara kerja rangkaian flyback topology berdasarkan dua artikel tetang sistem flyback sebelumnya, baru kemudian bandingkan dengan screenshot kutipan berikut ini.

Gambar 5. Screenshot keterangan operasi dasar flyback topology, power stage [sumber].

Di artikel sebelumnya telah disampaikan bahwa magnetizing inductance (LM atau Lm) memiliki peran baik dan penting di topologi flyback. Ini berbeda dengan topologi lain yang juga mempergunakan transformer. Dengan air-gap (termasuk distributed air-gapflyback transformer adalah trafo yang unik karena memang direncanakan dari awal untuk mampu menyimpan sementara energi sebelum kemudian dipindahkan ke beban. Di screenshot di Gambar 5 bisa dibaca mengenai peran penting Ldalam operasi di topologi flyback. Jelas juga bahwa dengan keberadaan dan pemanfaatan LM, flyback transformer bukanlah suatu trafo ideal.

Dari Gambar 5 juga bisa dibaca bagaimana pada saat sakelar aktif ON / menutup, sebenarnya tidak ada aliran ke trafo ideal di sisi primer, ini karena sedang tidak ada rangkaian tertutup yang bisa membawa arus di sisi sekunder (kondisi no-load). Arus listrik di sisi primer dan magnetic flux justru membawa energi untuk disimpan sementara di inti (core), melalui magnetizing inductance LM. Saat sedang tidak ada arus yang mengalir di sisi sekunder seperti ini, maka sisi primer trafo akan tampak seperti reaktansi Xm di frekuensi sumber penyuplai tegangan sisi primer. Sehingga akan ada arus yang mengalir yang disebut sebagai magnetizing current sebagai akibat adanya Xm. Kesulitan untuk model transformer ini adalah bahwa model trafo seperti ini tidak mudah untuk disimulasikan secara default, contohnya bisa dilihat di dokumen Saturable transformer model dan Modeling Coils (p.95).

Beberapa link di paragraf di atas berasal dari eBook yang ditampilkan di Google Books. Bisa dibandingkan dengan kutipan di bawah ini yang berasal dari sumber yang bukan berupa buku.

When the switch is turned ON, the primary winding of the transformer is directly connected to the input and its dot becomes positive with respect to non-dot end. The voltage induced in the secondary winding is negative, the diode is reverse-biased (blocked) so the transformer behaves as an inductor. The primary current and magnetic flux in the transformer increases storing energy. During the Ton period, the output capacitor supplies energy to the load. So the output capacitor value should be large enough to supply the load current for the time period Ton, with the maximum specified droop in the output voltage.

SMPS: Asymmetrical Isolated Converters

Dari sumber yang dikutip di Gambar 4, Gambar 5, dan Gambar 6,  kita bisa mengetahui kerja dasar internal di suatu flyback transformer.

Gambar 6. Gelombang di flyback topology, power stage [sumber].

Bagian berikut ini diambil dari buku (eBook) yang oleh penulisnya sendiri telah dibuka untuk umum dan ditampilkan di Internet. Versi ini sudah cukup memadai untuk belajar dasar-dasar operasi suatu power stage dari flyback converter.

Gambar 7. Persamaan untuk perhitungan di flyback topology, power stage [sumber].

Screenshot di Gambar 7 dapat dibaca dengan lebih baik, caranya adalah dengan “Open image in new tab”. Di gambar rangkaian terdapat tanda + dan – di kedua sisi flyback transformer. Sekilas ini bertentangan dengan penandaan di sumber-sumber lain, misalnya dengan Gambar 3 dan Gambar 6 di halaman ini. Juga dengan penggunaan tanda polaritas di simulasi sebagaimana di Gambar 3 di halaman ini. Penggunaan penanda polaritas seperti di Gambar 7 itu hanyalah acuan atau referensi saja, polaritas tegangan sebenarnya tidak selalu harus sama. Misalnya saat saat sakelar ON, maka polaritas di anode adalah negatif terhadap node sisi sekunder trafo yang terdapat tanda titik (dot). Justru dengan passive sign convention penandaan nantinya akan menjadi mudah. Positif jika sesuai tanda referensi, negatif jika berkebalikan.

Ini merupakan kutipan dari rilis versi online dari buku tulisan Issa Batarseh, Power Electronic Circuit. Kutipan di Gambar 7 (#fairUse) telah mengalami pemotongan sehingga sudah tidak utuh lagi. Pembaca disarankan untuk membuka link dan membaca sendiri untuk keterangan yang lebih lengkap.

Dari keterangan yang ditangkap di Gambar 7, selain dari beberapa persamaan diketahui juga beberapa sisi lain dari flyback converter. Misalnya konfirmasi bahawa flyback transformer tidaklah sama dengan transformer biasa di sistem sinusiodal AC 50 Hz/60Hz yang hanya dipakai untuk segera memindahkan daya dari sisi primer ke sekunder. Trafo di konverter flyback ini harus mampu menyimpan energi untuk sementara waktu. Kemudian karena karakteristik itu, maka konverter jenis ini sering memerlukan snubber, berbeda dengan konverter keluarga ‘non-inverting step-up step-down‘ lainnya, yaitu SEPIC

Gambar 8. Kurva tegangan dan arus di flyback topology, power stage [sumber].

Gambar 8 dapat dipahami dengan melihat kembali Gambar 7, terutama gambar-gambar rangkaian dan persamaan-persamaan. Perlu lebih hati-hati saat mencoba memahami gelombang vSW di Gambar 8. Ini adalah gelombang di kaki-kaki sakelar, untuk mudahnya anggap saja sebagai sekelar ideal. Saat menutup (ON), tegangan di antara kaki-kakinya akan sama dengan 0 volt.

Berikut ini adalah salah satu contoh bagaimana suatu konverter (dalam pengertian luas) diwujudkan dengan menggunakan suatu pengatur otomatis, yang disebut regulator, converter atau controller. Beberapa perusahaan memisahkan penggunaan istilah-istilah itu, suatu kelompok produk regulator bisa terdiri dari jenis converter (integrated switch) dan jenis controller (external switch).

Jika suatu topologi telah dipergunakan bersama IC  regulator maka penetapan nilai-nilai untuk parameter operasinya sebagai sebuah sistem sudah harus memperhitungkan / memasukkan parameter dari IC pengendali itu. Untuk mempersingkat dan dapat lebih fokus pada dasar operasi, bagian dokumen yang dikutip terutama hanya yang dapat dipakai sebagai contoh perhitungan atau acuan persamaan. Silakan membaca dokumen aslinya untuk keterangan yang lebih lengkap. Persamaan dan perhitungan di bagian ini juga bisa dibandingkan dengan bagian-bagian sebelumnya di artikel ini (dan juga artikel sebelumnya).

Gambar 9. Contoh spesifikasi unjuk kerja dari referensi  rancangan [sumber].

Gambar 10. Turns Ratio and CCM Duty Cycle [sumber].

Apakah anda ingat ada nilai toleransi di komponen resistor (dan sebenarnya komponen pasif lainnya)? Sekarang, perhatikan bagaimana di screenshot di Gambar 10 terdapat beberapa kali kata estimated. Dunia kerekayasaan (engineering) utamanya bersumber pada hard science / exact science, begitu kata banyak orang. Perhitungan di engineering sering kali harus detail dan presisi dengan keakurasian yang tinggi. Tetapi jika ditelusuri lebih dalam, semua ini karena dipahami bahwa justru ada banyak faktor di alam semesta ini yang tidak benar-benar akan pas sesuai perhitungan. Selalu ada selisih, ada deviasi.

Maka justru dengan pemahaman itulah perhitungan dan perancangan dilakukan sebaik mungkin agar deviasi yang mungkin terjadi tidak sampai terlalu besar dan berakibat fatal. Perkiraan (estimasi/estimation) dalam perhitungan engineering seperti di Gambar 10 adalah hal yang lumrah. Yang penting tidak dilakukan serampangan, punya dasar yang kuat yang biasanya berasal dari spesifikasi teknis, penurunan persamaan / perhitungan, pengalaman empiris, atau tebakan-terdidik (educated guess). Perhitungan di Gambar 10 serupa halnya dengan model komponen di simulasi berbasis SPICE. Akan sangat sulit untuk mendapatkan model komponen yang benar-benar sama dengan karakteristik komponen fisiknya. Karena itulah elektronika juga disebut sebagai seni (art).

Circuits and Electronics Design is an art, and thus has many confusing approaches. It is best learned by looking at different explanations, and by actually building and testing circuits. Spice simulations are an alternative to building and testing, and can be useful for learning.

ECE320 Electronic Devices and Controls

 

Gambar 11. Primary Inductance [sumber].

Pengambilan keputusan dalam melakukan perencanaan seperti tergambar di screenshot di Gambar 11 merupakan salah satu contoh dari sekian banyak penerapan tradeoff di dunia engineering. Selalu ada aspek yang tidak diprioritaskan, karena tidak mungkin semua menjadi prioritas dengan sumber daya yang terbatas. Termasuk di dalamnya adalah batasan-batasan alamiah dari alam semesta.

Gambar 12. Ratings and Other Specifications [sumber].

Gambar 13. Rectifying Diode [sumber].

Gambar 14. Capacitor selection [sumber].

Dari rangkaian informasi sejauh ini, dokumen ini yang pertama kali ‘mengajarkan’ bagaimana cara memilih komponen yang sesuai. Di sini kita bisa belajar bahwa untuk mencapai tujuan rancangan, sebagaimana sebaiknya suatu flyback converter berfungsi, komponen-komponen yang menyusunnya tidak dapat dipilih sembarangan. Bahkan sekalipun beberapa parameter berdasarkan estimasi, nilai yang dicari harus dihitung dengan benar. Di sini kita belajar untuk mulai memasukkan unsur ketidakidealan komponen dalam perhitungan. Supaya sistem yang nanti dibangun masih memiliki nilai/ruang toleransi terhadap perubahan parameter komponen dan unjuk kerja sistem. Di sini kita bisa belajar dari pengalaman orang lain yang bekerja di perusahaan top dunia tentang pengalaman melakukan perancangan sistem. Bagaimana pengetahuan tentang sifat/karakter jenis-jenis komponen disebarkan dan diperhatikan dalam perancangan.

Gambar 15. Voltage conversion relationship [sumber].

Sama seperti persamaan di gambar-gambar sebelumnya, persamaan di screenshot di Gambar 15 dapat disusun ulang untuk mencari salah satu variabel yang perlu diketahui. Di gambar itu juga diperlihatkan bahwa sebagai awalan unsur-unsur parasitic tidak perlu (belum perlu) dimasukkan ke dalam perhitungan.

Gambar 16. Operasi CCM dan DCM serta perhitungan duty cycle [slup261].

Gambar 17. CCM vs. DCM.

Gambar 18. slyu036 Power Topologies Handbook [sumber]

Artikel ini adalah artikel ketiga dari rangkaian artikel khusus mengenai topologi flyback converter (power stage/open loop).  Dasar-dasar perhitungan yang umum dan agnostik terhadap jenis IC regulator telah dikutip di sini. Di artikel berikutnya akan diberikan contoh-contoh simulasi dan sistem flyback converter.

Sekalipun mungkin rangkaian tiga artikel tentang flyback converter seperti memperlihatkan bahwa flyback converter itu sangatlah rumit, tetapi sebenarnya yang dipaparkan masih dalam cakupan dasar operasi. Ini sebatas upaya belajar untuk pemahaman yang praktis tetapi masih di dasar. Jika anda sempat membaca-baca sebagian besar dokumen yang tautannya telah diberikan, maka anda akan dengan sangat mudah setuju bahwa ini masih lah di tingkat dasar.

Beberapa video berikut dan beberapa link tambahan di bagian Sumber belajar di bawah akan menunjukkan aspek yang lebih dalam dan luas mengenai flyback converter.

font cache: Ψ α β π θ μ Φ φ ω Ω ° ~ ± ≈ ≠ ≡ ≤ ≥ ∞ ∫ • ∆

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *