Contoh simulasi buck converter LT1074

Di beberapa artikel telah disampaikan mengenai dasar cara kerja buck converter. Pemahaman mendasar seperti itu diperlukan untuk dapat mencoba memahami sistem yang lebih kompleks dengan lebih baik. Di artikel ini kita akan mencoba memahami lebih lanjut mengenai buck converter yang sudah dilengkapi closed-loop controller (pengendali simpal tertutup).

Dengan kemajuan zaman, dari sisi perancang, adanya komponen pengendali komersial yang khusus dibuat untuk keperluan sistem pengendalian daya sangatlah memudahkan. Begitu juga bagi konsumen awam, kehadiran banyak komponen komersial ini membuat harga jenis komponen semacam itu dan sistem semakin murah.

Salah satu komponen yang diadakan khusus untuk pengandalian daya adalah LT1074. Komponen ini diproduksi oleh Linear Technology sebelum perusahaan itu resmi dibeli oleh perusahaan Analog Devices. Ini bukan satu-satunya komponen yang bisa dipakai untuk keperluan sistem buck converter. Analog Devices bahkan memiliki beberapa komponen sejenis yang lebih modern dan punya unjuk kerja lebih baik. Tetapi, sistem dengan komponen utama LT1074 ini cukup sederhana sehingga baik dipakai untuk keperluan belajar. Selain tersedia di LTspice, file rangkaian simulasi dasar untuk komponen LT1074 juga tersedia di web site Analog Devices ini.

Gambar 1.

Gambar 2.

Kedua screenshot di Gambar 1 dan Gambar 2 di ambil dari datasheet (data sheet) komponen yang tersedia gratis bebas untuk diakses di halaman produsen komponen. Artikel ini juga berfungsi sebagai bagian dari penyampaian pentingnya mencari dan membaca datasheet, application note, design note, user’s manual, white paper. Karena dari sejumlah terbitan tersebut, dasar operasi, cara kerja, dan panduan keselamatan bisa didapatkan.

Simulasi

Simulasi di halaman ini masih melanjutkan contoh rancangan sederhana di artikel sebelumnya, yaitu konversi dari tegangan 12 V dc ke 7 V dc.

Gambar 3.

Sebagaimana kelaziman di Elektronika Daya (Power Electronics), selain efektivitas dan efisiensi maka proses belajar perlu dilakukan secara sistematis dengan dimulai dari sistem yang (paling) sederhana. Dasar mengenai tahapan ini di luar bahasan ilmu elektronika daya, bagi yang tertarik mengenai pengaturan tahapan proses kognitif ini bisa mempelajari lebih lanjut di bidang bahasan ilmu learning methods dan teaching methodoloy. Sekarang mari melihat Gambar 3.

Di Gambar 3 bisa dilihat rangkaian dan hasil simulasi untuk rangkaian penurun tegangan dari 12 V ke 7 V @1A. Bagaimana cara mengatur rangkaian/sistem agar memberikan hasil yang diinginkan sesuai target? Mari lihat screenshot lain dari datasheet berikut ini.

Gambar 4.

Gambar 5.

Untuk bisa melakukan pengaturan/setting komponen LT1074 untuk rangkaian buck converter ini, pertama kita perlu kemauan dan kemampuan untuk membaca keterangan yang diberikan oleh produsen. Untuk keperluan ini, bisa memanfaatkan Google Translate atau Bing Translator (Microsoft Translator). Kemudian kita perlu mengingat kembali mengenai penggunaan komponen resistor sebagai pembagi tegangan, yang akan dimanfaatkan sebagai sensor tegangan keluaran.

Untuk keperluan desain rangkaian LT1074 ini, nilai komponen resistor R1 di Gambar 5 akan ditentukan dari nilai tegangan keluaran yang diinginkan (Vout) dan nilai nominal tegangan acuan di pin feedback (FB) yaitu 2,21 V. Perlu diingat setidaknya dua hal mengenai penentuan nilai resistor. Pertama bahwa pilihan nilai komponen resistor (tetap/fixed) terbatas, karena mengikuti nilai-nilai standar industri. Kedua, terdapat nilai toleransi di setiap komponen resistor. Dengan nilai toleransi ini, maka nilai resistor sebenarnya yang terukur sering tidak akan sama dengan nilai nominalnya. Apalagi nilai resistor sebenarnya yang diinginkan sesuai hasil perhitungan.

Silakan kembali memperhatikan Gambar 3. Secara umum bisa dilihat bahwa hasil simulasi sudah mencapai sasaran dengan output 7 V @1A, dengan dasar rangkaian yang tadinya dirancang untuk menghasilkan keluaran 5 V @5 A. Tentu saja terdapat deviasi (penyimpangan) dari nilai absolut yang diinginkan, sebagaimana semua rancangan sistem elektronika. Yang terpenting adalah upaya untuk memastikan bahwa deviasi/variasi masih di dalam rentang yang dapat diterima. Setelah melakukan simulasi untuk membuktikan bahwa pengaturan dasar yang dilakukan bisa menghasilkan unjuk kerja yang diinginkan berikutnya simulasi bisa dilanjutkan ke tahap berikutnya.

Gambar 6.

Di Gambar 5 simulasi dilakukan dengan beban ohmic yaitu model komponen resistor ideal. Pada beban jenis ini, nilai arus akan tergantung kepada nilai suplai tegangan. Di Gambar 6, beban resistor diganti dengan beban berupa ‘sumber arus’. Beban ini akan ‘mengambil’ (menyalurkan) arus dari suplai secara konstan sesuai nilai yang ditetapkan. Dapat diperhatikan bahwa pada simulasi, rangkaian mampu tetap menjaga nilai tegangan dan arus keluaran yang diinginkan. Untuk tiap komponen pengendali seperti ini, keterangan bisa dilihat di masing-masing datasheet mengenai nilai batas maksimum maupun nilai parameter operasi yang direkomendasikan. Misalnya mengenai batas maksimal nilai arus ke beban yang dapat dikendalikan oleh komponen IC pengendali.

Gambar 7. Line regulation.

Di pertemuan kuliah elektronika daya yang lalu sudah pernah disampaikan mengenai line regulation dan load regulation. Hal ini berikaitan dengan pokok bahasan di ilmu power electronics yaitu bagaimana menyalurkan dan mengendalikan suplai energi listrik ke beban dengan efektif dan efisien sesuai kebutuhan beban. Untuk kebanyakan beban elektronik, catu daya yang diinginkan adalah catu daya yang stabil yang nilai tegangan keluarannya tidak berubah.

Istilah line regulation mengacu pada kemampuan sistem catu daya untuk menjaga stabilitas nilai tegangan keluaran pada saat nilai tegangan masukannya berubah. Untuk dapat menjaga agar nilai tegangan keluaran tetap, maka diperlukan pengendalian dengan tipe closed-loop. Pada pengendalian tipe ini, aksi kendali tidak hanya bergantung pada nilai set point tetapi juga pada nilai variabel operasi yang diukur. Pada rangkaian buck converter tipe pengendalian open-loop sebelumnya, regulasi tegangan semacam ini tidak dapat dilakukan. Perubahan nilai tegangan masukan atau perubahan pada beban yang dignifikan akan mengubah nilai output secara signifikan pula. Pengaturan parameter operasi tidak bisa dilakukan secara interaktif, berbeda dengan tipe closed-loop seperti pada artikel ini. Selanjutnya mari lihat Gambar 7.

Di Gambar 7 pengujian sistem rangkaian buck converter untuk melihat kemampuan line regulation dilakukan dengan cara melakukan stepping nilai tegangan masukan. Nilai yang sebelumnya tetap 12 V diubah menjadi rentang 11 V sampai 13 V. Hasil simulasi bisa dilihat di bagian kanan, di kanan bawah nilai adalah hasil tanpa zoom sedangkan di kanan atas adalah hasil dengan zoom.

Dapat dilihat bahwa simulasi dengan variasi tegangan masukan 11 V sampai 13 V tidak membuat nilai tegangan keluaran berubah jauh. Jika tidak dilakukan zoom, sepintas tegangan keluaran malah terlihat seolah-oleh tidak berubah sama sekali. Jika dilihat dengan lebih seksama dengan melakukan zoom seperti pada gambar kotak di kanan atas, baru akan terlihat bahwa tetap terjadi perbahan nilai tegangan keluaran. Sekalipun nilainya tidak kauh berubah dari 7 Vdc. Dengan melakukan zooming pada gambar sinyal, maka ripple pada gelombang juga akan lebih jelas terlihat. Riak ini akan tetap ada sekalipun nilai tegangan masukan tetap. Riak tidak disebabkan karena perubahan nilai tegangan masukan, melainkan karena sifat catu daya itu sendiri yaitu catu daya tersakelar (switched-mode power supply/SMPS).

Gambar 8. Load regulation.

Catu daya yang baik tidak hanya mampu menjaga nilai output agar tidak terlalu terpengaruh oleh perubahan pada tegangan input (line regulation) tetapi juga mampu melakukan load regulation. Yaitu bahwa nilai tegangan keluaran dapat dijaga sebisa mungkin tetap walaupun load (beban) berubah.

Gambar 8 dirancang untuk melakukan simulasi perubahan nilai beban. Terdapat tiga beban dalam simulasi rangkaian ini. Beban pertama adalah beban berpa atus konstan sebesar 0,5 A. Beban ini akan terus aktif sepanjang simulasi. Beban berikutnya adalah beban resistor dengan nilai arbitary sebesar 14 Ohm. Beban ketiga adalah beban resistor dengan nilai acak sebesar 20 Ohm. Beban kedua dan beban ketiga diaktifkan secara periodik bergantian sepanjang simulasi ini. Pengaturan ini dilakukan untuk meniru kondisi arus beban yang tidak tetap sebesar 0,5 A.

Dapat dilihat di hasil simulasi bahwa arus yang melintasi induktor juga berubah, merespon perubahan nilai arus pada beban. Tetapi nilai tegangan pada beban tetap dijaga sama. Ini tidak berarti tidak ada perubahan sama sekali, tetapi nilai perubahan tetap dijaga sekecil mungkin sebatas kemampuan respon komponen dan sistem rangkaian. Nilai tegangan output dijaga untuk tetap sekitar 7 Volt.

Gambar 9.

Di Gambar 9, perubahan dapat lebih jelas terlihat daripada pada Gambar 8. Sekalipun gambaran umum unjuk kerja rangkaian menjadi tidak lagi utuh. Bisa dilihat bahwa tegangan keluaran masih pada kisaran 7 V.

Sesuai dengan prinsip belajar yang sudah diungkapkan di awal yaitu untuk meningkatkan kompleksitas secara bertahap, maka di bagian akhir ini simulasi line regulation dan load regulation akan digabungkan. Respon rangkaian untuk masing-masing kondisi telah dapat diperhatikan di simulasi sebelumnya. Maka di bagian ini akan dilihat bagaimana respon untuk gabungan kondisi, yaitu perubahan masukan dan perubahan pada beban.

Gambar 10.

Tergambar dengan baik bahwa nilai tegangan keluaran dapat cukup terjaga di kisaran 7 V meskipun nilai tegangan masukan berubah dengan rentang 11 V sampai 13 V dan nilai arus berubah dari beban dasar 0,5 A sampai puncak arus beban pada perhitungan nominal 1,35 A.

Penting untuk diingat bahwa kemampuan sistem rangkaian dan komponen untuk mengatasi adanya perubahan input maupun load tetap terbatas. Kerja untuk menjaga kestabilan output oleh catu daya ini bukan sesuatu yang magical. Setiap sistem fisis memiliki keterbatasan dalam melakukan kerja dan mengatasi perubahan kondisi operasi. Ini ada kemiripipan dengan apa yang dibahas dalam ilmu sistem kendali yaitu BIBO (Bounded-Input Bounded-Output).

PCB

Seabagai bonus, selain simulasi di halaman ini juga akan disampaikan contoh perwujudan LT1074 ke bentuk fisis. Untuk mendapatkan sistem fisis, pertama proses desain rangkaian perlu dilanjutkan ke tahapan desain jalur-jalur dan tata letak komponen di PCB. Dengan asumsi rangkaian akan diwujudkan di PCB yang permanen bukan dengan metode Manhattan style atau diwujudkan di breadboard.

Di Internet cukup banyak contoh yang bisa diperhatikan untuk dibandingkan dan diikuti. Misalnya contoh desain di EasyEda berikut ini. Silakan dibuka untuk mengakses rangkaian di online editor yang gratis bebas pakai secara legal.

Gambar 11. Contoh skematik rangkaian LT1074 di EasyEDA.

Gambar 12. Contoh rancangan PCB hasil skematik di EasyEDA.

Contoh lain perwujudan rangkaian LT1074 yang dipakai sebagai catu daya bisa dilihat di situs berikut ini.

Gambar 13. Skema rangkaian (link).

Gambar 14. Hasil rancangan PCB (link).

Gambar 15. Contoh perwujudan sistem buck converter dengan LT1074 (link).

Gambar 16. Pengujian buck converter LT1074 (link).

Gambar 16 menunjukkan pengujian step response saat arus ditingkatkan dari 500 mA ke 3000 mA. Keterangan lebih lanjut dapat dibaca di halaman situs aslinya di www.changpuak.ch.

Terakhir, contoh lain mengenai desain PCB untuk buck converter berbasis LT1074 adalah sebagai berikut ini.

Gambar 17. Contoh desain PCB untuk rangkaian LT1074 (link).

Bahan belajar lebih lanjut:

Leave a Reply Cancel reply