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]

Simulasi buck converter dengan model sakelar

Di artikel ini akan saya sampaikan beberapa contoh simulasi open-loop buck converter sederhana. Sakelar yang dipakai adalah model sakelar sederhana yang mendekati ideal.

Di halaman ini perhitungan tidak dilakukan dengan cara manual, melainkan memanfaatkan aplikasi kecil PSD dari TI. Keterangan detail lebih lanjut dapat dibaca melalui sejumlah tautan di bagian akhir halaman ini.

Gambar 1.

Gambar 1 di atas adalah contoh dasar desain yang cukup realitis, dalam hal nilai tegangan masukan dapat berubah. Rentang tegangan masukan dari 11 V sampai 13 V.

Gambar 2.

Gambar 2 adalah upaya penyederhanaan rancangan dari Gambar 1. Di sini tegangan masukan disederhanakan dengan dianggap tidak berubah dan bernilai 12 V. Ini adalah contoh sederhana bagaimana dalam beberapa perancangan, kompleksitas dan kerumitan dapat ditambahkan secara bertahap. Desain sistem nyata sering melibatkan sejumlah kerumitan, upaya penyederhanaan sering kali malah melibatkan sejumlah kerumitan. Karena itu pengerjaannya sedapat mungkin secara proporsional dilakukan secara bertahap dan sistematis.

CircuitLab

Ada beberapa simulator online yang dapat dipakai untuk melakukan simulasi sistem/sub-sistem/rangkaian elektronika. Salah satunya adalah CircuitLab, yang bisa dipergunakan hanya dengan bermodal browser (peramban). Di sini CircuitLab dipakai untuk mewujudkan simulasi lebih lanjut dari hasil PSD sebelumnya.

Gambar 3.

Salah satu keunggulan CircuitLab adalah tampilannya yang bersih dan elegan. Selain itu pengguna dapat berbagi proyek/rangkaian dengan lebih mudah. Penerima link rangkaian dapat melakukan simulasi tanpa perlu membuat akun terlebih dahulu. Untuk simulasi ini kapasitor input tidak dipakai untuk meminimalkan perhitungan oleh aplikasi. Komponen kapasitor dan yang lainnya (termasuk untuk memodelkan ketidakidealan, seperti ESR/ESL) dapat ditambahkan kemudian.

Gambar 4.

Sebagaimana simulator rangkaian dan sistem elektronika lainnya, nilai Time Step (Gambar 4) adalah nilai yang genting. Secara umum, semakin kecil nilainya akan semakin baik karena akan semakin teliti. Tetapi semakin kecil nilainya, akan semakin membebani sistem yang melakukan perhitungan untuk simulasi rangkaian. Menjaga keseimbangan mengenai hal ini juga adalah bagian seni dari kerja engineering.

Gambar 5.

Mengacu pada rancangan dasar dengan PSD sebagaimana di Gambar 2, nilai keluaran yang dijadikan target adalah 7 V @1 A. Nilai hasil simulasi dari software yang berbeda-beda juga akan mungkin berbeda-beda pula. Hal ini antara lain disebabkan karena pembulatan saat perhitungan, cara menghitung, pengaturan simulasi, dan kemungkinan perbedaan model.

Gambar 6.

Di Gambar 6 bisa dilihat bahwa diperlukan waktu untuk naik dan turun bagi sinyal, T_rise dan T_fall. Untuk semua sistem fisis/nyata, selalu diperlukan waktu untuk berubah dari satu kondisi ke kondisi lain, bagaimana pun cepat/singkatnya waktu yang diperlukan.

Untuk rangkaian contoh ini sudah saya buat public di CircuitLab dan dapat diakses (juga dicoba diubah-ubah) melalui link ini.

PartSim

Gambar 7.

PartSim adalah aplikasi online lain yang bisa dipakai untuk melakukan simulasi. Berbeda dengan CircuitLab, PartSim dapat dipakai secara gratis dan bebas. Hanya saja pustaka dan tampilan PartSim tidak senyaman CircuitLab (setidaknya pada saat artikel ini ditulis). Model-model SPICE dapat dipakai di PartSim, dan umumnya lebih mudah untuk dikonfigurasikan daripada di CircuitLab.

Gambar 8.

Di semua simulator, pengaturan untuk simulasi transien perlu memperhatikan beban simulasi yang akan diberikan kepada simulator untuk melakukan perhitungan. Khususnya jika mempergunakan PartSim, kita perlu mempertimbangkan beban komputasi . Tidak jarang, akan ditemui kondisi time out saat server PartSim menghentikan perhitungan karena sudah melakukannya terlalu lama. Secara umum rentang waktu simulasi yang singkat, akan lebih menjamin keberhasilan simulasi. Panjang rentang waktu simulasi dan ketelitian simulasi dapat ditingkatkan secara bertahap.

Gambar 9.

Gambar 9 adalah hasil simulasi dari PartSim, bisa dibandingkan dengan hasil simulasi lainnya. Untuk rangkaian simulasi, bisa diakses dan dicoba di tautan ini.

PSIM

PSIM adalah simulator offline yang umum dipakai untuk simulasi sistem di elektronika daya. Berbeda dengan pendekatan dasar LTspice, pendekatan pada PSIM diawali dari pendekatan high-level. Model yang dipakai biasanya adalah model yang mendekati ideal. Meskipun sekarang untuk versi komersial penuhnya sudah bisa melakukan simulasi model SPICE dengan lebih mudah.

Gambar 10.

Gambar 11.

Cara penyakelaran sebagaimana di Gambar 11 tidak sepenuhnya tepat, tetapi untuk keperluan simulasi ini masih memadai. Secara umum tegangan pemicuan di kaki gate dibandingkan dengan kaki source. Nanti di bagian bawah akan ditampilkan variasi simulasi lain yang lebih umum dipergunakan.

Gambar 12. Pengaturan simulasi PSIM.

Gambar 13. Pemicuan gerbang sakelar.

Gambar 14. Hasil simulasi.

Berikut ini adalah variasi lain dari rangkaian simulasi untuk buck converter di PSIM dengan masukan 12 V dan target keluaran 7 V @1 A. Cara pemicuan sakelar di simulasi berikut ini menggunakan nilai sudut pemicuan (0° dan 218,16°) dan frekuensi penyakelaran (100 kHz).

Gambar 15.

Gambar 16.

LTspice

Simulator PSIM versi lisensi untuk siswa (student’s version) belum memberikan fasilitas simulasi untuk model SPICE. Tetapi dengan LTspice, masalah ini dapat teratasi. Dengan mempergunakan LTspice, simulasi dapat dilakukan bukan hanya dengan model komponen yang mendekati komponen ideal tetapi juga dengan model komponen yang lebih mendekati unjuk kerja komponen fisik komersial. Selain itu, versi penuh LTspice sampai sekarang masih secara legal bisa gratis dipergunakan.

Gambar 17.

Gambar 17 menunjukkan simulasi masih dengan model beban paling sederhana, yaitu model komponen resistor. Berikutnya cara lain adalah dengan menggunakan beban berupa sumber arus konstan yang dipakai sebagai analogi konsumsi arus secara konstan oleh beban.

Gambar 18.

Dikarenakan kesemua rangkaian simulasi ini tanpa sub-sistem umpan balik, maka perubahan nilai tegangan masukan atau perubahan beban akan sangat berisiko mengakibatkan perubahan nilai tegangan keluaran. Di sistem dengan pengendali closed-loop nanti bisa dicoba simulasi kondisi perubahan masukan dan/atau perubahan beban.

EasyEDA

Bagian terakhir di halaman ini adalah mengenai simulasi rangkaian buck converter dengan model sakelar sederhana di EasyEDA. Umumnya EasyEDA dikenal sebagai perangkat lunak yang dipakai untuk melakukan perancangan PCB. Tetapi semakin lama, kemampuan simulasi rangkaian EasyEDA semakin baik hingga untuk beberapa penggunakan sudah mencukupi.

Gambar 19.

Gambar 20.

Perangkat lunak EasyEDA dapat dipergunakan langsung secara online dari web browser atau pun dengan diunduh dan dipergunakan di PC. Di pengaturan saat artikel ini disusun, dari sistem EasyEDA anda juga dapat secara langsung berbagi proyek di situs OSHWlab. Khusus untuk rangkaian simulasi buck converter ini proyek dapat diakses melalui link berikut ini. Sekadar sebagai contoh uji coba, proyek yang sama sudah coba diunggah juda di OSHWlab, di link ini.

Penutup

Artikel ini dibuat pada saat masih dalam musim pandemi Covid-19. Selain banyak kabar duka, kesusahan, ketidaknyamanan, bencana ini juga berpeluang untuk dijadikan kesempatan untuk menimbang ulang dan mempelajari ulang sejumlah hal. Dari semua yang disampaikan di atas, kita bisa melihat bahwa untuk mencapai suatu sasaran (dalam hal ini simulasi), bisa dilakukan dengan lebih dari satu cara. Tidak semua metode sama persis, ada beberapa yang lebih tepat untuk beberapa keperluan, dan ada yang lain yang lebih tepat untuk keperluan lain. Tetapi secara umum, dalam contoh ini masih cukup memadai untuk menghasilkan hal yang sesuai yang diperlukan.

Ini adalah contoh mengenai pengenalan hal-hal yang esensial, lebih dari formalitas dan seremonial. Dengan memiliki sejumlah fasilitas yang sesuai, kita bisa menghindari sindrom yang diungkapkan melalui the ‘Law of the instrument’ atau yang juga dikenal sebagai “Maslow’s hammer”.

sumber: https://bityl.co/6rKh

Di bagian berikut ini ada beberapa rujukan yang dapat secara legal gratis untuk dipergunakan. Sebagian besar berasal dari perusahaan produsen komponen elektronik terkemuka dunia.

Bahan belajar lebih lanjut: