Tuesday, August 9, 2011

QUASI RESONANT SMPS (artikel)

 

QUASI RESONANT CONVERTER (QRC)

atau

QUASI RESONANT (QR) SMPS

 

SMPS PWM konvensinil dengan mode continuous maupun discontinuous hanya mempunyai tingkat efisiensi sekitar 70%, menghasilkan gangguan noise EMI, serta saat stand by membutuhkan daya sekitar 5 hingga 10 watt. Oleh karena itu hingga saat ini masih terus dilakukan usaha-usaha untuk meningkatkan kekurangan-kekurangan tersebut. Sistim PWM konvensional kadang dinamakan "hard switching".

Meningkatkan efisiensi berarti mengurangi kerugian daya yang hilang yang dilepas sebagai panas dan EMI. Kerugian daya regulator switching konvensional intinya terjadi pada saat :

  1. Turn off loss. Terjadi pada saat kondisi switch berubah "dari On ke Off" Karena tegangan yang berbentuk kotak pada SMPS konvensional dan karena efek parasitik induktip dan kapasitip menyebabkan timbulnya efect transient ringing yang banyak menghasilkan gangguan EMI.
  2. Saturation loss. Terjadi pada ada saat switch "dalam kondisi On". Pada saat kondisi switch-ON, Transistor atau MOSFET sebagai switch kolektor-emitor tidak betul-betul on, tetapi masih mempunyai resistansi, walaupun nilainya mungkin hanya sekitar 1 ohm. Tetapi hal ini tetap menimbulkan kerugian daya sebesar (I2 x R}
  3. Turn on loss. Terjadi pada saat kondisi switch berubah "dari Off ke On". Perubahan switch dari konsisi On ke Off tidak terjadi dalam seketika, tetapi berubah dari resistansi tak terhingga kemudian resistasi berubah menurun. Hal ini mengakibatkan kerugian daya (I2 x R)

Kerugian-kerugian tersebut mengakibatkan Transistor atau MOSFET Power switch mengalamai stress tegangan dan panas. Dan untuk mengurangi tingkat stress ini salah satunya adalah memasang suatu rangkaian SNUBER dan HEATSINK (pendingin) yang akan me-"nyerap" sebagain stress ini.

Jika frekwensi switching makin tinggi, maka kerugian daya tentu akan makin bertambah besar, oleh karena itu besarnya frekwensi SMPS konvensinil masih terbatas, tidak dapat dibuat jauh lebih tinggi lagi (hanya sekitar 20Khz hingga 50Khz). Keuntungan jika frekwnsi SMPS dibuat lebih tinggi adalah tranfo switching ukurannya dapat dibuat lebih kecil dan membutuhkan kapasitor filter dengan ukuran dan nilai yang lebih kecil pula.

                clip_image002               clip_image004

gambar.1 : Kerugian yang terjadi pada sebuah Transistor Bipolar dan MOSFET switching

 

Sejak tahun 80’an sebenarnya sudah banyak dilakukan riset dan usaha-usaha untuk menyempurnakan kerja SMPS. Konsepnya adalah menghilangkan kerugian-kerugian seperti yang sudah dijelaskan ditas dengan mengembangkan sistim yang dinamakan "resonant tanks" atau dinamakan "soft switching". Tujuannya adalah untuk menghasilkan efek osilasi pada kumparan tranfo switching, agar arus atau tegangan tidak berbentuk kotak, tetapi berbentuk “setengah sinus”. Hal ini akan menurunkan kerugian daya (mengurangi panas), dan mengurangi problem gangguan EMI. Frekwensi SMPS juga dapat ditingkatkan menjadi lebih tinggi. Resonant tanks diperhitungkan terhadap parasitik induktip maupun parasitik kapasitip dari kumparan tranfo switching dan dari power MOSFET

Resonansi resonant tank pada saat switch berubah dari on ke off akan mengakibatkan Zero Voltage Swiching (ZVS) atau Zero Current Switching (ZCS) pada Power Switch, hal inilah yang mengakibatkan efisiensi dapat ditingkatkan hingga mencapai 90%. Dengan soft switching frekwensi SMPS dapat ditingkatkan hingga menjadi 500Khz atau bahkan lebih.

 

Keuntungan Soft switching dibanding Hard switcing :

  • Efisiensi meningkat hingga 90% lebih. Panas yang dihasilkan lebih kecil sehingga membutuhkan pendingin (heat sink) dengan ukuran yang lebih kecil.
  • Frekwensi dapat ditingkatkan, sehingga tranfo switching dapat diperkecilkan ukurannya, serta membutuhkan elko filter pada bagian sekunder dengan nilai yang lebih kecil.
  • Gangguan Noise atau EMI yang ditimbulkan lebih kecil
  • Transistor atau MOSFET mendapat stress tegangan lebih kecil, sehingga dapat dipakai transistor atau MOSFET dengan tegangan kerja yang lebih rendah (artinya harganya bisa lebih murah) dan kehandalan akan meningkat.

 

clip_image008

gambar.2

Gambar.2  menunjukkan cara-cara yang pernah dilakukan untuk membuat SMPS Resonant Converter. Dari berbagai cara tersebut Flyback Quasi Resonant SMPS (QR SMPS) dengan Variable Frekwensi yang banyak diterapkan pada SMPS untuk TV. Prinsip kerja Flyback QR SMPS sebenarnya tidak jauh berbeda dengan Flyback PMW SMPS. Dengan sedikit modifikasi pada IC Kontrol PWM maka dapat dibuat QR SMPS. Saat ini sudah banyak diproduksi IC Kontrol untuk QR SMPS maupun IC QR Hybrid (IC Kontrol dan MOSFET Power switch menjadi satu).

clip_image010

gambar.3  kerugian daya pada SMPS konvensional

clip_image012

gambar.4 keruhian daya pada Resonant SMPS

 

Perbedaan antara QR ZCS dan ZVS.

ZCS atau Zero Curent Switching dapat dirancang dengan 2 macam cara seperti pada gambar 5.

  • Cara pertama seperti terlihat pada gambar 5.(atas) dimana saat power switch “on” akan terbentuk “series resonant”.
  • Dan cara kedua seperi pada gambar 5.(bawah) menunjukkan pada saat switch “on” akan terbetuk “parallel resonant”.

clip_image014

gambar 5.

 

ZCS dapat menghilangkan kerugian pada saat switch berubah dari “off ke on”. Dan mengurangi kerugian pada saat switch berubah dari “on ke off”. Hal ini cocok untuk diterapkan pada SMPS dengan frekwensi tinggi.

ZVC atau Zero Voltage switching dapat dirancang dengan 2 macam cara seperti pada gambar 6.

  1. Cara pertama seperti terlihat pada gambar 6.(atas). Disini
  2. pada saat switch “off” akan terbentuk “series resonant”.
  3. Dan cara kedua seperti gambar 6.(bawah) dimana pada saat switch “off” akan terbentuk “series resonant.

clip_image016

gambar 6.

 

ZVS menghilangkan kerugian switching pada saat power switch berubah dari “on ke off”. Dan mengurangi kerugian daya pada saat switch berubah dari “off ke on”.

 

Apa kelebihan MOSFET disbanding Transistor Bipolar untuk switching regulator

Kelebihan MOSFET adalah :

  • Mampu bekerja pada frekwensi yang lebih tinggi.
  • Gampang di-drive, artinya untuk pendorong membutuhkan daya yang lebih kecil. Transistor merupakan “current drive”, artinya diperlukan tegangan dengan arus yang kuat sebagai pendorong. Sedangkan MOSFET merupakan ”voltage drive”, artinya sebagai pendorong hanya diperlukan tegangan dengan arus yang relatip sangat kecil saja.

Kelebihan Transistor Bipolar adalah karakteristik secara umum mampu dan tahan bekerja pada tegangan kerja yang lebih tinggi.

 

(artikel marsonotv : ditulis dari berbagai sumber)

 

*********************************************

No comments: