Risiko UVLO di XL6009

Komponen IC dari XLSEMI XL6009 sudah cukup banyak diperjualbelikan sebagai bagian dari papan sistem buck converter. Karena harga modulnya relatif cukup terjangkau, patut diduga komponen ini banyak dipergunakan sebagai bagian dari sistem elektronika yang lebih besar. Meskipun begitu ternyata ada risiko penggunaan dari komponen ini. Hal ini sudah cukup banyak dibahas di berbagai sumber di Internet, halaman ini hanya akan merangkum dari beberapa sumber.

Inti permasalahan adalah aktivasi fitur UVLO (undervoltage lockout) milik XL6009 di sistem papan. Fitur UVLO ini adalah fitur pengaman yang akan aktif saat tingkat (level) tegangan masukan berada di bawah ambang batas tertentu. Saat itu terjadi fitur UVLO akan mematikan operasi IC sehingga tidak akan menghasilkan tegangan keluaran yang tak terkendali. Saat tingkat tegangan masukan kembali di atas ambang batas minimal, IC akan restart dan tegangan keluaran akan kembali dihasilkan.

Sayangnya terdapat modul dengan inti IC XL6009 yang fitur UVLO-nya tidak diaktifkan secara default. Beberapa sumber rujukan lain menyatakan bahwa memang di level IC-nya pun fitur ini bermasalah. Ini dalam praktik terbukti dapat menimbulkan risiko bahaya bagi sistem yang dilayaninya. Beberapa sistem elektronik cukup sensitif terhadap kelebihan tegangan catu daya meskipun hanya berlangsung hanya dalam waktu yang cukup singkat.

Gambar 1. Papan sistem/modul XL6009.

Gambar 2. Papan sistem/modul XL6009.

Gambar 1 dan Gambar 2 menunjukkan contoh papan/modul XL6009 yang juga memiliki risiko masalah. Yaitu jika tegangan masukan/input berada di bawah level sekitar 3 volt, alih-alih IC mematikan tegangan keluaran yang terjadi malah tingkat tegangan keluaran saat itu akan melonjak menjadi sekitar 50 volt. Ini kondisi yang berbahaya bagi sistem yang dicatu oleh modul tersebut. Kondisi ini mungkin terjadi jika sumber tegangan untuk modul XL6009 adalah sel baterai yang nilai tegangannya dapat turun jauh dari level awalnya.

Gambar 3. Fitur UVLO yang dicantumkan dalam datasheet.

Gambar 4. Contoh rangkaian dasar modul berdasarkan datasheet.

Gambar 3 memperlihatkan adanya fitur UVLO di IC XL6009 berdasarkan datasheet, meskipun tidak dibahas lebih lanjut. Di Gambar 4 dapat terlihat bahwa fitur UVLO perlu “diaktifkan” oleh penggguna bersamaan dengan aktivasi EN. Maksudnya, jika di pin tersebut diberi tegangan high (antara 1,4 V sampai level Vcc) maka IC akan beroperasi, sedangkan jika turun sampai 0,8 V maka IC akan berhenti bekerja. Hal ini menjadi masalah karena umumnya papan/modul XL6009 secara ringkas selalu menghubungkan pin EN ke level tegangan high yaitu input seperti contoh di Gambar 5 atau floating yang juga sama akan dianggap sebagai enabled.

Gambar 5. Contoh desain dari Hackaday.

Pengaturan di IC XL6009 ini berbeda, misalnya, dengan cara pengaturan di IC Texas Instruments LM2577 yang nilai ambang batasnya sudah ditetapkan (lihat Gambar 6).

Gambar 6. Contoh pengaturan UVLO di LM2577.

Salah satu tawaran solusi jika tetap hendak mempergunakan modul dengan IC XL6009 adalah dengan melakukan modifikasi sebagaimana dicontohkan di Gambar 7.

Gambar 7. Aktivasi UVLO berdasarkan design guide.

Berikut beberapa pembahasan mengenai risiko bahaya jika tegangan masukan modul XL6009 berada di bawah ambang batas:

Untuk menyimak penjelasan dan contoh-contoh lainnya silakan mengunjungi playlist YouTube berikut ini.

Buck converter dengan XLSEMI XL4005, XL4015 dan XL4016

Salah satu bagian materi dari mata kuliah Elektronika Daya II adalah pelajaran mengenai buck converter. Dimulai dari penggambaran konverter ini secara umum, kemudian beberapa contoh simulasi rangkaian dasar buck converter. Lalu salah satu contoh implementasi IC pengendali komersial yang memiliki simulasi yang relatif mudah dipelajari, yaitu LT1074 dengan simulator LTspice. Beberapa cara pengujian konverter telah disampaikan di artikel tersebut. Di artikel berikutnya disampaikan bagaimana simulasi dapat dilakukan untuk memahami cara kerja dasar dari IC LM2596. Saat artikel ini ditulis, papan buck converter yang mempergunakan LM2596 jauh lebih banyak dijual di situs online lokal daripada IC LT1074. IC lain yang juga banyak dipergunakan adalah MP2307 yang sudah dibahas di artikel sebelum ini.

Di artikel ini akan disampaikan mengenai IC yang juga banyak dipakai di papan penurun tegangan yang banyak dijual di Indonesia, yaitu XL4005, XL4015 dan XL4016. Berbeda dengan LT1074, LM2596, dan MP2307, sampai hari ini saya belum menemukan simulator atau simulasi untuk ketiga IC XL**** dari XLSEMI tersebut. Sekalipun ada keterbatasan, di artikel ini akan coba fokus ke salah satu fitur kemudahan penggunakan IC semacam ini (yang juga mirip dengan sejumlah IC yang dibahas sebelumnya). Fitur itu adalah mengenai bagaimana rangkaian resistor pembagi tegangan sederhana dipakai sebagai sensor untuk menentukan nilai tegangan keluaran.

Untuk masing-masing datasheet dapat dilihat di web site komponen, tetapi secara ringkas dapat ditampilkan di sini:

XL4005: 5A 300KHz 32V Buck DC to DC Converter. [cadangan link]
XL4015: 5A 180KHz 36V Buck DC to DC Converter. [cadangan link]
XL4016: 12A 180KHz 40V Buck DC to DC Converter. [cadangan link]

Gambar 1.

Gambar 1 adalah contoh salah satu bentuk penggunaan IC XL4005 yang umum (typical) ini bisa menjadi semacam template bagi keperluan sejenis. Di sini semua resistor yang dipergunakan adalah yang bertipe tetap dan bukan potensiometer. Dengan pembagi tegangan R1 dan R2, saat nilai tegangan keluaran bernilai 5 V maka di node FB akan ada tegangan sebesar 0,8 V (0,789 V). Dengan kata lain, kita bisa menentukan nilai tegangan yang diturunkan di sisi keluaran berdasarkan persamaan (lihat panah).

Perhitungan bisa dilakukan manual, dengan kalkulator elektronik, atau dengan perangkat lain yang sesuai. Sebagai contoh adalah fasilitas perhitungan online di Gambar 2.

Gambar 2.

Gambar 3. Contoh rangkaian XL4015.

Nilai feedback threshold voltage untuk XL4015 adalah 1,25 V, sebagaimana terlihat pada Gambar 3.

Gambar 4. Contoh rangkaian XL4016.

Dari ketiga gambar contoh konfigurasi rangkaian ini bisa dilihat peran penting resistor pembagi tegangan sebagai sensor. Bahkan seandainya pun produsen papan sistem mempergunakan potensiometer. Semoga ini bisa jadi salah satu inspirasi belajar. Bahwa hal yang sederhana tetapi sesungguhnya fundamental itu akan sangat mungkin tetap terus terpakai di sistem yang lebih kompleks. Dengan begitu pelajaran yang sepintas sederhana tidak baik untuk dianggap remeh, hanya karena pelajar belum cukup punya pengetahuan atau wawasan manfaat yang dipelajari di kemudian hari.

PCB

Gambar 5. Contoh papan buck converter demgam XL4005 dari Sunrom.

Gambar 6. Skematik rangkaian penurun tegangan dengan XL4015 (link).

Gambar 7. Contoh papan buck converter dengan XL4015 (link).

Gambar 6 adalah salah salah satu bentuk rangkaian penurun tegangan yang mempergunakaan IC XL4015. Skema ini diwujudkan dalam bentuk papan komersial di Gambar 7.

Di Gambar 6 terdapat satu IC catu daya linier, yaitu LM317. Ini adalah satu contoh di antara cukup banyak contoh bagaimana sistem catu daya linier digunakan bersama dalam satu sistem dengan catu daya tersakelar (switching). Karena itu di dalam perkuliahan elektronika daya, kedua jenis catu daya dipelajari karena masih diperlukan hingga sampai saat ini.

Gambar 8. [Sumber: link]

Gambar 8 adalah papan buck converter yang harganya lebih murah dari papan pada Gambar 7. Salah satu contoh penerapan dari papan penurun tegangan di Gambar 8 diperlihatkan di Gambar 9. Keterangan lebih lanjut bisa dibaca di situs aslinya.

Gambar 9. [Sumber: link]

Gambar 10. [Sumber: link]

Gambar 11. [Sumber: link]

Gambar 12. [Sumber: link]

Gambar 10 adalah desain dasar rangkaian XL4015 dengan kemampuan pembatasan nilai tegangan dan arus. Gambar 11 dan Gambar 12 adalah perwujudan dari skema dasar di Gambar 10. Menarik untuk dilihat bahwa bahkan untuk catu daya tersakelar terdapat kebutuhan untuk masih mempergunakan komonen catu daya linier, yaitu 78L05 untuk memberi tegangan ke komponen LM358 dan sebagai bagian untuk referensi tegangan. Keterangan lebih lanjut dapat dibaca di halaman artikel sumber.

Gambar 13. Rangkaian XL4015 untuk catu daya.

Gambar 14. Contoh pemanfaatan buck converter XL4015.

Gambar 13 dan Gambar 14 adalah contoh bagaimana rangkaian XL4015 dapat dipergunakan sebagai catu daya sederhana untuk laboratorium.

Gambar 15. Contoh papan buck converter dengan IC XL4016.

Gambar 16. Contoh papan buck converter dengan IC XL4016.

Gambar 15 dan Gambar 16 adalah contoh papan sistem penurun tegangan dengan kemampuan yang lebih besar. Semakin besar panas yang dihasilkan maka diperlukan keping pendingin yang lebih besar. Sekalipun catu daya tersakelar secara umum lebih efisien untuk daripada catu daya linier yang sekelas, tetapi tetap saja menghasilkan panas yang perlu diatasi.

Unjuk kerja dan pengujian

Gambar 17. Cuplikan screenshot gambar tabel masukan dan keluaran rangkaian XL4015.

Gambar 18. Gambar tangkapan riak di keluaran XL4015.

Untuk pengujian dalam bentuk video, dapat disaksikan langsung melalui playlist di YouTube.

Buck converter menggunakan MP2307

Artikel ini masih merupakan bagian dari urutan penyampaian mengenai rangkaian penurun tegangan atau topologi buck converter. Komponen IC paling mudah disimulasikan dan sederhana yaitu LT1074 sudah dibahas, begitu juga untuk komponen LM2596. Di artikel di halaman ini akan coba disampaikan mengenai buck converter yang mempergunakan komponen dari MPS yaitu MP2307.

Gambar 1.

Papan sistem buck converter sebagaimana terlihat di Gambar 1 adalah salah satu contoh papan yang mempergunakan MP2307 sebagai regulator tegangan. Penurun tegangan tipe ini sudah banyak dijual di beberapa toko online di Indonesia. Harganya juga cukup murah dengan ukuran fisik yang cukup kecil.

Meskipun bukan IC yang tergolong baru, MP2307 dapat beroperasi di rentang tegangan masukan antara 4.75 V sampai 23 V dengan tegangan keluaran yang dapat diatur antara 0.925 V to 20 V dan mampu menyalurkan arus konstan ke beban sebesar 3 A. Kemampuan pengendalian daya pada sistem papan seperti pada Gambar 1 tidak selalu mutlak sama dengan kemampuan IC MP2307. Meskipun menurut datasheet IC ini memiliki kemampuan penyekelaran arus hingga 5,8 A dan karenanya mampu menyalurkan arus konstan ke beban sebesar 3A, tetapi untuk papan mini360 (Gambar 1) arus beban konstan disarankan hanya sebesar 1,8 A untuk jangka panjang. Salah satu ulasan mengenai penyebabnya (thermal design) dapat dibaca di halaman di link ini.

Gambar 2. Skema simulasi.

Sejak beberapa tahun terakhir semakin banyak perusahaan produsen komponen yang menyediakan fasilitas desain/simulasi secara online seperti di Gambar 2. Ada beberapa jenis kedalaman simulasi yang disediakan, tetapi secara umum banyak yang cukup untuk dipakai dalam memahami unjuk kerja komponen dan sistem. Untuk IC MP2307, simulasi online dapat diakses di halaman komponen tersebut.

Dikutip dari datasheet:

Feedback Input. FB senses the output voltage and regulates it. Drive FB with a resistive voltage divider connected to it from the output voltage. The feedback threshold is 0.925V. See Setting the Output Voltage.

Gambar 3. Screenshot pengaturan nilai komponen pembagi tegangan.

Kembali kita bisa melihat bagaimana pentingnya kesediaan/kemauan untuk membaca dan mengacu datasheet dan application note. *this is engineering!

Pada papan komersial seperti mini360 di Gambar 1, produsen sistem papan memilih untuk mempergunakan potentiometer agar supaya catu daya ini bisa dipergunakan oleh lebih banyak konsumen untuk banyak keperluan.

Gambar 4. Contoh pemilihan komponen induktor.

Trend lainnya di dunia komponen elektronika adalah mulai banyak simulasi online yang disediakan oleh para produsen dilengkapi dengan fasilitas pemilihan komponen yang akan dipergunakan dalam desain oleh pengguna. Hal ini menganut prinsip yang berlaku di bidang bisnis, yaitu untuk semakin mempermudah para (calon) konsumen untuk memilih dan mempergunakan produk dari produsen tersebut. Dengan panduan yang mudah untuk memilih komponen pelengkap, akan semakin kecil penghalang bagi pengguna untuk lebih memilih (misalnya dalam hal ini) untuk mempergunakan MP2307 daripada komponen sejenis dari produsen lain yang tidak menyediakan layanan serupa. Contoh panduan bisa dilihat di Gambar 4 dan Gambar 5.

Sayangnya untuk bisa dimanfaatkan secara maksimal faslitas semacam ini memerlukan fasilitas penunjang lain yang juga berfungsi baik. Yang paling terlihat adalah fasilitas akses untuk membeli komponen penunjang yang dimaksud. Setidaknya akses pembelian melalui yang serupa DigiKey, Mouser, RS, Alibaba, atau Aliexpress. Namun demikian bahkan bagi yang tidak memiliki akses langsung untuk membeli, keterangan semacam ini masih bermanfaat untuk mempelajari spesifikasi komponen penunjang yang disarankan. Kemudian bisa dicari padanannya atau setidaknya untuk kemungkinan terjelek bisa menjadi bahan pertimbangan untuk antisipasi anomali pada sistem yang mempergunakan komponen yang tidak sama seperti yang direkomendasikan.

Gambar 5. Contoh pemilihan komponen kapasitor.

Proses pemilihan komponen semacam ini adalah proses yang integral di sistem engineering. Pelajaran semacam ini penting setidaknya sebagai wawasan untuk bisa mengapresiasi suatu rangkaian proses untuk menghasilkan sistem/barang. Dengan demikian, yang mempelajarinya bisa memiliki sudut pandang yang lebih baik jika suatu saat perlu melakukan pembelian sistem papan yang sudah jadi, perawatan sistem yang lebih besar, atau pergantian modul sub-sistem catu daya yang merupakan bagian dari sistem yang lebih besar.

Gambar 6.

Gambar 6 adalah contoh bagaimana tata letak yang direkomendasikan oleh produsen. Ini tentu saja tidak mutlak harus diikuti, tetapi baik juga setidaknya untuk dijadikan panduan. Mengenai tata letak jalur dan komponen di PCB sistem digital/analog/hybrid adalah bahasan tersendiri yang sebenarnya sangat rumit. Terutama untuk bagian yang high-speed design, tetapi beberapa panduan umum sudah tersedia untuk diperbandingkan di Internet. Contoh rancangan tata letak semacam Gambar 6 bisa menjadi bagian dari pelajaran praktik yang baik.

Buck converter dengan IC LM2596

Gambar 1.

Di toko-toko online di Indonesia sudah cukup banyak bisa ditemui papan rangkaian buck converter seperti di Gambar 1. Sistem ini cukup ringkas dan praktis, pengguna cukup mengurus koneksi masukan dan keluaran saja. Pengaturan nilai tegangan keluaran dilakukan dengan potensiometer. Papan sistem buck converter ini berintikan IC LM2596(S) yang mengendalikan operasi penurunan tegangan.

LM2596 jelas bukanlah satu-satunya IC yang umum dipergunakan sebagai pengendali di sistem buck converter. Misalnya di Indonesia juga umum dijumpai IC produksi XLSEMI seperti XL4005, XL4015, XL4016 sebagai komponen utama. Sayangnya untuk produsen XLSEMI, sampai artikel ini ditulis belum terdapat simulator/model simulasi yang bisa dipakai. Selain dari IC dari XLSEMI, ada IC dari MPS yang juga gampang ditemukan yaitu MP2307 yang akan coba ditampilkan di lain artikel.

Di artikel ini saya akan menyampaikan mengenai sistem penurun tegangan dengan menggunakan IC LM2596. Beberapa hal yang sudah saya sampaikan mengenai buck converter di artikel sebelumnya tidak saya ulang lagi di sini. Karena itu silakan membaca kembali artikel sebelumnya mengenai prinsip dasar operasi IC buck converter, sekalipun detailnya berbeda tetapi dasar penggunaan dan pengujian IC pengendali buck converter umumnya sama.

Menurut produsennya, Texas Instruments, LM2596 merupakan “SIMPLE SWITCHER® 4.5V to 40V, 3A Low Component Count Step-Down Regulator“. Saat artikel ini ditulis, sudah tersedia fasilitas simulasi yang cukup baik untuk dipergunakan yaitu WEBENCH® Designer, juga oleh TI .

Gambar 2.

Untuk artikel buck converter dengan komponen utama LM2596 ini kita masih akan mempergunakan contoh dasar desain yang sebelumnya. Konversi dilakukan dari tegangan 12 V ke 7 V @1 A dengan rentang masukan 11 V sampai 13 V. Desain ini sama dengan simulasi rangkaian dasar, dan simulasi dengan komponen LT1074. Pengaturan untuk awalan desain seperti Gambar 2 dilakukan di web site TI.

Gambar 3.

Gambar 4.

Gambar 5. Pilihan simulasi untuk kondisi startup.

Gambar 6. Pilihan simulasi untuk kondisi input transient.

Gambar 7. Pilihan simulasi untuk kondisi load transient.

Gambar 8. Pilihan simulasi untuk kondisi steady state.

Gambar 9. Contoh hasil simulasi untuk kondisi steady state.

Gambar 10.

Setelah melakukan simulasi, pengguna dapat mengunduh laporan dalam format PDF sebagaimana pada Gambar 10. Dalam file itu terdapat sejumlah informasi yang lebih detail dari simulasi.

Gambar 11.

Dari Gambar 11 dapat dilihat bahwa sebagaimana umumnya catu daya tersakelar, efisiensi akan meningkat saat arus beban mendekati beban puncak rancangan. Misalnya untuk desain ini, sistem buck converter dirancang untuk bekerja pada arus beban 1 A. Umumnya selama masih dalam rentang yang ada di dalam rancangan, sampai batas tertentu semakin besar arus beban maka akan semakin efisien kerja buck converter. Untuk memastikannya, silakan mengacu ke penjelasan spesifik untuk komponen IC pengendali yang berbeda.

Gambar 12.

Gambar 13. Load transient simulation repot (PDF).

Gambar 14. Load transient simulation repot (PDF).

Gambar 15. Contoh rancangan PCB.

Gambar 16. Hasil ekspor dari Webench dapat dipilih untuk disimulasikan di TINA-TI.

Gambar 17. Hasil simulasi di TINA-TI.

Contoh desain penurun tegangan dari 12 V ke 7 V dengan menggunakan WEBENCH sudah saya bagi dan dapat diakses secara public di link ini.

Sebagai pembanding, terdapat upaya untuk melakukan simulasi rangkaian IC LM2596 di EasyEDA. Simulasi ini menggunakan pustaka yang dibuat untuk LTspice. Dalam desain ini tegangan keluaran sebesar 5 V dan tegangan masukan sebesar 10 V.

Gambar 18. Hasil simulasi di EasyEDA.

Gambar 19. Hasil simulasi di EasyEDA.

PCB

Berikut ada beberapa contoh (dari sejumlah besar contoh yang bisa dicari sendiri di Internet) tentang perwujudan rangkaian buck converter dengan pengendali berupa LM2596. Biasanya papan penurun tegangan ini dijual dengan menggunakan versi IC LM2596 yang adjustable, artinya nilai tegangan keluarannya dapat diubah dan diatur dengan mudah. Cirinya adalah adanya komponen potensiometer yang menggantikan satu resistor tetap, sehingga parameter operasi IC dapat dengan lebih mudah diubah sesuai keperluan.

Gambar 20. Skema rangkaian LM2596 untuk tegangan keluaran yang dapat diatur (link).

Gambar 21. Produk jadi dari skema rangkaian LM2596 (link).

Gambar 21 adalah gambar papan buck converter yang juga umum dijual di Indonesia. Penggunaan papan ini secara umum untuk banyak keperluan sudah memadai dan praktis. Perhatikan bahwa komponen Gambar 21 tidak sepenuhnya memiliki nilai yang sama persis seperti dalam rancangan di Gambar 20.

Gambar 22. Papan buck converter LM2596 produksi RobotDyn.

Gambar 23. Papan buck converter LM2596 produksi RobotDyn.

Contoh lain rangkaian dengan IC LM2596 yang disusun paralel dapat dilihat di halalam di tautan berikut ini. Dengan menggunakan kata-kata kunci dan bentuk pertanyaan yang tepat, anda bisa memperoleh lebih banyak informasi yang serupa.

Setelah mempelajari mengenai IC LM2596, kita memiliki pengetahuan mengenai apa yang dapat diharapkan dari rangkaian yang berintikan IC tersebut. Kita bisa mengenali kondisi anomali/tidak normal dari sistem. Kita bisa memiliki dugaan awal mengenai komponen apa saja dalam sistem yang rentan untuk rusak. Juga dapat menduga apa saja hal/ketidakidealan yang paling mungkin sangat mempengaruhi unjuk kerja sistem.

Pengujian

Untuk buck converter yang mempergunakan IC LM2596, dapat ditemukan beberapa pengujian sistem yang dapat dijadikan bahan pembanding. Untuk laporan yang disajikan dalam bentuk tulisan, bisa dibaca di halaman di situs ini (link).

Gambar 24. Hasil pengujian thermal (link).

Untuk pengujian yang dilaporkan dalam bentuk video, dapat dilihat di sini:

[intense_tabs direction=”right” active_tab_background_color=”#000000″ active_tab_font_color=”#ffff00″ trigger=”click”] [intense_tab title=”Video01″ border=”3px solid #e8e8e8″ link_target=”_self” icon_size=”1″ content_background_color=”#000000″ content_font_color=”#ffffff” icon_position=”left”]

[/intense_tab] [intense_tab title=”Video02″ border=”3px solid #e8e8e8″ link_target=”_self” icon_size=”1″ content_background_color=”#000000″ content_font_color=”#ffffff” icon_position=”left”]

[/intense_tab] [intense_tab title=”Video03″ border=”3px solid #e8e8e8″ link_target=”_self” icon_size=”1″ content_background_color=”#000000″ content_font_color=”#ffffff” icon_position=”left”]

[/intense_tab] [intense_tab title=”Video04″ border=”3px solid #e8e8e8″ link_target=”_self” icon_size=”1″ content_background_color=”#000000″ content_font_color=”#ffffff” icon_position=”left”]

[/intense_tab] [intense_tab title=”Video05″ border=”3px solid #e8e8e8″ link_target=”_self” icon_size=”1″ content_background_color=”#000000″ content_font_color=”#ffffff” icon_position=”left”]

[/intense_tab] [/intense_tabs]

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: