Catu daya digunakan di hampir setiap aplikasi listrik/elektronik untuk menyediakan arus yang cukup pada tegangan yang diperlukan. Ada dua jenis utama catu daya: linier dan mode aktif. Keduanya dapat digunakan secara bergantian tetapi catu daya mode aktif semakin populer.
Pada artikel ini, mari kita lihat apa itu catu daya mode aktif, cara kerjanya, serta kelebihan dan kekurangannya dibandingkan dengan catu daya linier tradisional.
Apa itu Switch Mode Power Supply (SMPS)?
Catu daya mode sakelar (juga dikenal sebagai mengganti catu daya, SMPS, pengalih) adalah perangkat catu daya elektronik yang mengubah daya listrik dari satu tegangan ke tegangan lain secara efisien.
Biasanya, SMPS digunakan untuk mentransfer daya dari sumber DC/AC ke beban DC (yaitu komputer, ponsel, dll.). Sebagian besar catu daya mode aktif mengubah tegangan yang lebih tinggi (110V atau 220V AC) ke tegangan DC yang jauh lebih rendah seperti 24V, 12V, atau 5V.
Jenis power supply ini dapat kita temukan di hampir setiap peralatan listrik, terutama yang berukuran compact. Misalnya, adaptor pengisi daya ponsel, komputer, adaptor pengisi daya laptop dapat diambil.
Sejarah Catu Daya Mode Beralih
Sejarah catu daya mode-teralih kembali ke tahun 1836. Ada bukti bahwa kumparan induktif telah digunakan untuk menghasilkan lonjakan tegangan tinggi untuk eksperimen. Maju cepat hampir satu dekade, pada tahun 1959 di Bell Labs, Mohamed M. Atalla dan Dawon Kahng menemukan kekuatan MOSFET. Power MOSFET adalah perangkat switching yang paling banyak digunakan dalam catu daya mode-switch bahkan hingga saat ini.
Ada catatan paten yang diajukan oleh IBM pada tahun 1958, di mana ia menunjukkan desain SMPS berdasarkan osilasi transistor. Sekitar tahun yang sama, General Motors Corporation (GM) juga mengajukan paten serupa untuk desain SMPS.
Produk komersial pertama dan dikenal luas yang memiliki catu daya mode-switch adalah kalkulator saku HP-35 Hewlett Packard. Miniatur SMPS digunakan untuk menyalakan LED, ROM, dan elemen utama lainnya seperti jam dan register. Meskipun desain telah muncul dari banyak vendor besar, paten untuk menggunakan istilah 'Switched Mode Power Supply (SMPS)' diajukan pada tahun 1976 oleh Microchip Technology. Mereka merilis pengontrol terintegrasi pertama untuk catu daya mode aktif.
Apa Artinya 'Beralih Mode'?
Istilah 'switched mode' atau 'switching mode' berasal dari pengoperasian SMPS. SMPS terdiri dari sirkuit kompleks yang beroperasi pada frekuensi yang sangat tinggi (20kHz hingga 10MHz). Peralihan berkecepatan tinggi ini memungkinkan catu daya mode sakelar untuk mengubah daya listrik lebih efisien daripada catu daya linier tradisional.
Prinsip Kerja Catu Daya Mode Beralih
Catu daya mode sakelar terdiri dari sirkuit kompleks yang berisi serangkaian subsirkuit elektronik daya untuk secara efisien mengubah daya dari satu tegangan ke tegangan lainnya.
SMPS tipikal memiliki diagram blok berikut dengan subbagian utama ini:
- Tahap masukan
- beralih tahap
- tahap keluaran
- Sirkuit kontrol
Tahap Input
Tahap input daya umumnya terdiri dari penyearah penuh atau setengah jembatan rangkaian yang menggunakan daya AC sebagai input dan mengeluarkan output DC yang difilter dengan tegangan yang sama. Misalnya, tahap ini dapat mengubah 110V AC menjadi 110V DC. Tahap ini juga berisi filter LC tambahan (induktor dan kapasitor) untuk lebih menghilangkan riak dari daya input.
Saklar Frekuensi Tinggi
Ini adalah tahap paling kritis dari catu daya. Biasanya, SMPS memiliki MOSFET daya (satu atau lebih) sebagai perangkat switching utama. Sinyal PWM dengan cepat menghidupkan dan mematikan MOSFET untuk bertindak sebagai sakelar. Ini mengubah tegangan DC yang dihaluskan dari tahap input menjadi gelombang persegi frekuensi tinggi. Perangkat switching bekerja di mode konduksi terus menerus di sebagian besar persediaan untuk mencapai efisiensi konversi yang lebih baik.
Suplai berosilasi ini diumpankan ke transformator daya, yang menurunkan atau menaikkan tegangan sesuai dengan rasio belitan primer dan sekunder. Beberapa catu daya memiliki beberapa gulungan untuk tujuan umpan balik dan untuk mendapatkan beberapa tegangan keluaran.
Tahap Output
Keluaran dari transformator daya juga merupakan bentuk gelombang berosilasi, yang selanjutnya disaring oleh tahap keluaran. Tahap ini juga berisi filter yang mirip dengan tahap input, tetapi mampu menangani lebih banyak arus pada tegangan yang lebih rendah. Ini adalah tahap akhir dari rangkaian dan mengeluarkan daya ke beban yang terhubung.
Sirkuit Kontrol
Perangkat switching (transistor atau MOSFET) perlu dihidupkan dan dimatikan dengan cepat untuk menghasilkan gelombang persegi yang diperlukan untuk memberi makan transformator daya menggunakan sinyal PWM. Sinyal PWM ini memiliki frekuensi dan siklus kerja. Siklus tugas adalah rasio antara waktu tepat dan total waktu per siklus. Tegangan keluaran SMPS dapat dikontrol dengan menambah atau mengurangi siklus kerja sinyal PWM yang diumpankan ke transistor.
Ketika beban terhubung, ia mulai menarik arus, dan tegangan keluaran SMPS turun. Pada saat ini, sirkuit terpisah perlu waspada untuk memantau tegangan output dan ketika turun, perlu meningkatkan siklus tugas sinyal PWM. Demikian pula, ketika beban terputus, rangkaian umpan balik menurunkan siklus kerja untuk mempertahankan tegangan keluaran yang diinginkan.
Apa itu Topologi SMPS?
Ada banyak topologi yang digunakan dalam catu daya mode-switch komersial:
- Dolar
- Topologi buck adalah topologi step-down tegangan DC-DC yang tidak terisolasi. (yaitu 24VDC ke 12VDC)
- Ini menarik lebih sedikit arus rata-rata dari input dan memberikan arus yang lebih tinggi ke output.
- Contoh buck converter adalah catu daya komputer, di mana catu daya 12V utama diturunkan untuk memberi daya pada pengontrol USB 5V dan DRAM 1.8V.
- Mendorong
- Ini adalah topologi step-up tegangan DC-DC yang tidak terisolasi. (3.7VDC hingga 5VDC)
- Konverter boost menarik lebih banyak arus dari input dan output lebih sedikit arus pada tegangan yang lebih tinggi ke beban.
- Sistem bertenaga baterai seperti sistem pencahayaan portabel hingga kendaraan listrik menggunakan konverter penguat efisiensi tinggi untuk mengubah tegangan rendah menjadi tegangan lebih tinggi untuk menyalakan peralatan.
- Buck / Boost
- Kombinasi topologi Buck dan Boost. Sirkuit ini dapat menaikkan atau menurunkan input sesuai dengan output yang diinginkan.
- Konverter buck/boost digunakan di mana tegangan input bisa lebih tinggi atau lebih rendah dari tegangan output yang diinginkan. Dengan menggunakan konverter seperti itu, kami selalu dapat menjamin bahwa itu akan memberikan tegangan output yang diinginkan terlepas dari tegangan input. Namun ini umumnya datang dengan batasan seperti rentang tegangan input (tegangan input minimum dan maksimum.
Topologi yang disebutkan di atas adalah topologi yang paling sederhana. Namun, mereka tidak menawarkan isolasi galvanik seperti transformator. Oleh karena itu, ada topologi yang lebih maju yang menggunakan trafo yang lebih rumit untuk menyediakan fitur keselamatan yang diperlukan sambil menyediakan fungsionalitas yang sama.
- Terbang kembali
- Versi buck converter yang ditingkatkan menyediakan fungsionalitas yang sama dengan isolasi listrik.
- Konverter Maju
- Topologi SMPS terisolasi lebih efisien daripada topologi flyback.
Sirkuit Catu Daya Mode Beralih
Meskipun kontrol SMPS mungkin terdengar rumit dan sulit untuk ditangani, ada IC pengontrol SMPS khusus seperti TNY267, TEA173X dan VIPER22A yang memiliki generator PWM bawaan dan banyak fungsi lanjutan lainnya seperti kontrol umpan balik dan perlindungan hubung singkat/lebih dari tegangan.
Ditampilkan di bawah ini adalah aplikasi khas TNY267 oleh Power Integrations, pengontrol SMPS mode off-line sederhana, yang dapat menghasilkan 12V 1A DC menggunakan sumber AC 230V.
Input Vin adalah input AC 100-300V (bisa juga DC), dan input dilindungi oleh sekering dan MOV (Metal Oxide Varistor) untuk melindungi rangkaian dari lonjakan tegangan lebih. Penyearah jembatan D3 dan kapasitor C2 bersama-sama memperbaiki sinyal input AC menjadi 100-300V DC. Tegangan keluaran tahap ini adalah sekitar [tegangan masukan * 1.4] karena nilai RMS.
D2 dan D4 bersama-sama membentuk sirkuit penekan transien untuk melindungi TNY267 dari kembali EMF sepatu berduri. D1 dan C1 memperbaiki output sekunder dari transformator T1, yang merupakan tegangan output yang diinginkan.
R1, D5, dan R2 membentuk rangkaian umpan balik untuk mengatur tegangan keluaran sesuai dengan kondisi beban yang bervariasi. Ini membantu TNY267 untuk menjaga tegangan output konstan pada 12V.
Keuntungan dan Kerugian Catu Daya Mode Beralih
Catu daya mode aktif memiliki banyak keuntungan:
- Karena itu ukurannya lebih kecil dapat masuk ke perangkat yang ringkas
- Karena komponen berbasis semikonduktor, SMPS lebih ringan
- Sangat efisien daripada catu daya linier (70-95% tipikal)
- Mendukung rentang tegangan input dan output yang lebih luas
- Menyediakan fungsi tambahan seperti output yang dapat disesuaikan dan fungsi keselamatan sebagai perlindungan hubung singkat, tegangan berlebih, arus berlebih, dan suhu berlebih
- Disipasi panas yang lebih rendah, sehingga membutuhkan pendinginan aktif minimal
Namun, SMPS juga memiliki kekurangan yang terkadang membuatnya tidak cocok untuk aplikasi tertentu. Misalnya, SMPS adalah sirkuit yang jauh lebih kompleks daripada sirkuit linier tradisional. Oleh karena itu, banyak komponen yang dapat mengalami malfungsi dan menghambat kinerja power supply.
Juga, SMPS dikenal dengan EMI (Electromagnetic Interference) dan noise listrik yang lebih tinggi karena mereka bekerja dalam frekuensi tinggi. SMPS yang dirancang dengan buruk dapat menyebabkan gangguan dan terkadang bahkan secara permanen merusak elektronik sensitif yang ditenagai olehnya.
Di bidang daya, catu daya mode aktif juga menciptakan distorsi harmonik di jaringan listrik dan terkadang memerlukan koreksi faktor daya tambahan jika tidak terpasang di catu daya.
Catu Daya Mode Linier vs Beralih
Perbedaan utama antara SMPS dan suplai linier adalah efisiensinya. Catu daya mode aktif sangat efisien jika dibandingkan dengan catu daya linier, yang cenderung membuang lebih banyak energi sebagai panas.
Catu daya AC-DC linier biasanya menggunakan transformator untuk menurunkan tegangan AC input dan kemudian memperbaikinya menggunakan dioda dan filter menggunakan kapasitor. Ini memberikan output riak yang sangat rendah, tetapi dengan mengorbankan efisiensi yang berkurang (sekitar 30% -60%). Mereka juga cenderung berukuran sangat besar karena ukuran dan berat transformator. Catu daya linier tidak dapat menangani tegangan input yang bervariasi jika tidak dirancang secara khusus.
Di sisi lain, konverter DC-DC linier menurunkan tegangan dengan menghilangkan tegangan yang jatuh sebagai panas. Oleh karena itu, regulator linier arus tinggi memerlukan pendinginan aktif yang lebih canggih agar berfungsi dengan baik. Namun, pasokan linier adalah kelambanan sederhana, dan biaya yang relatif rendah untuk diterapkan. Juga, output suplai linier (berbasis transformator) diisolasi.
SMPS dalam hal ini unggul dengan peringkat efisiensi mulai dari 80% ke atas dengan kerugian daya minimal. Juga, mereka kecil dalam faktor bentuk, dan memiliki aplikasi yang fleksibel karena sirkuit dapat diubah untuk mendapatkan output yang dapat disesuaikan dan bahkan output yang terisolasi. Tetapi mereka jauh lebih kompleks dalam desain (jumlah komponen tinggi) dan memiliki noise frekuensi tinggi pada output. Jika tidak ditangani dengan benar, mereka dapat menyebabkan masalah di bagian sensitif dari rangkaian beban.
Kesimpulan
Catu daya mode sakelar sangat efisien dalam mengubah daya listrik dari satu tegangan ke tegangan lainnya. Mereka cocok untuk efisiensi tinggi, aplikasi daya tinggi dan dalam banyak kasus, lebih cocok daripada pasokan linier. Namun, memilih SMPS atau catu daya linier harus dilakukan dengan mempertimbangkan banyak faktor seperti riak yang dapat diterima dalam output, regulasi beban dan saluran, dan biaya/kompleksitas dalam aplikasi yang diinginkan.
