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.