## Kendali Pensaklaran Freewheel untuk Pensaklaran Konverter PCCM
Maickel Tuegeh,ST,. MT. *
*Staf Pengajar Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik Universitas Sam Ratulangi, Manado, Sulawesi Utara, Indonesia,
Email : m_tuegeh@yahoo.co.id
Abstrak  –  Presentasi  singkat  ini  tentang  pensaklaran  konverter dalam  pseudo-continuous  conduction  mode  (PCCM)  dengan kendali  pensaklaran  freewheel.    Dibandingkan  dengan  konverter discontinuous  conduction  mode  (DCM)  konvensional,  konverter ini  memperlihatkan  kemampuan  dalam  penanganan  arus  yang lebih  baik  dengan  mengurangi  riak  arus  dan  tegangan,  membuat tanggapan  transien  beban  lebih  cepat  daripada  continuous conduction  mode  (CCM).    Hasil  simulasi  dan  pengujian diperlihatkan bahwa  converter  PCCM  mempunyai    riak  arus  dan riak tegangan lebih kecil dibandungkan  konverter DCM, dan juga konverter PCCM membutuhkan waktu lebih cepat untuk merespon perubahan  arus  beban  dibanding  CCM.  Dengan  membandingkan antara  3  topologi  pensaklaran  freewheel  yang  digunakan  juga dapat dilihat hasilnya
Keywords:  Riak  arus,  Riak  tegangan,  pensaklaran  freewheel, PCCM,  pensaklaran converter.

## I. PENDAHULUAN
P erkembangan  dan  penggunaan  alat-alat  elektronika  saat ini  semakin  pesat  dan    pengembangan  dari  peralatan  - peralatan  elektronik  dengan  performa  tinggi  memaksakan tantangan  –  tantangan  baru  dalam  penyediaan  daya. Aktifitas komputer dengan jumlah yang banyak mengakibatkan  perubahan  arus  yang  drastis  dalam  waktu yang  singkat  pada  penyedia  daya.    Untuk  memelihara performa dan memastikan kestabilan sistem, penyedia daya harus  memiliki  kemampuan  untuk  menangani  arus  yang keluar dengan tanggapan transien cepat [1].
Konverter daya mode saklar, atau disingkat konverter pensaklaran, telah sangat luas digunakan.  Itu adalah komponen penting untuk penyediaan daya yang berkualitas dan bersih untuk peralatan – peralatan elektronik tegangan rendah.  Gambar 1 menunjukkan diagram blok rangkaian dari konverter pensaklaran Buck konvensional.  Peralatan tersebut menyediakan daya peralatan – peralatan elektronik dengan pengaturan tegangan suplai, efisiensi tinggi dan konversi tegangan yang fleksibel.  Dibandingkan dengan topologi Boost dan Buck-Boost, Buck konverter menghasilkan arus keluar continuous ketika beroperasi dalam continuous conduction mode (CCM), memberikan arus riak yang kecil, jadi memberikan gangguan pensaklaran yang rendah.  Operasi CCM lebih disukai untuk aplikasi arus besar, karena dapat menyalurkan arus tambahan daripada konverter yang beroperasi

## Gambar 1  Konverter Buck Konvensional
pada discontinuous conduction mode (DCM) [2]. Bagaimanapun,  konverter  DCM  biasanya  menanggapi transien lebih cepat dan lebih mudah mengkompensasi loop gain daripada konverter CCM.
Dengan  kebutuhan  yang  sangat  besar  antara  tanggapan transien yang cepat dan kemampuan arus yang besar, sangat diinginkan  untuk  memiliki  konverter  baru  dengan menggabungkan kelebihan dari konverter CCM dan DCM.
Untuk  menyelesaikan  masalah  tersebut  digunakan Pseudo  CCM  (PCCM)  konverter  menggunakan  kendali saklar  freewheel  dengan  topologi  buck  dan  kemudian dilakukan  perbandingkan  jika  menggunakan  topologi boost dan buck-boost.

## II. TINJAUAN DESAIN

## A. Riak arus dan gangguan pensaklaran  beban besar
Operasi dari konverter pensaklaran dapat diklasifikasikan sebagai CCM atau DCM, berdasarkan arus induktor  seperti  terlihat  pada  Gambar  2.    Ketika  beban bertambah  besar,  arus  induktor  tetap  diatas  nol  untuk menyalurkan  arus  ke  beban.    Konverter  beroperasi  sebagai CCM  dan  tiap  periode  pensaklaran  T s dibagi  dalam  dua bagian:  D 1 T s dan  D 2 T s (D 1 +D 2 =1).    Ini  akan  menurun selama  D 2 T s ketika  S 1 off  dan  S 2 on.    Ketika  beban berkurang  maka  arus  induktor  naik,  kemudian  turun secara tajam dan tertahan di nol untuk setiap siklus.  Setiap siklus
pensaklaran dibagi dalam tiga bagian: D 1 T s , D 2 T s dan D 3 T s (D 1 +D 2 +D 3 =1).    Bentuk  gelombang  arus  induktor  dalam D 1 T s dan  D 2 T s adalah  sama  seperti  dalam  CCM,  tetapi berada  di nol  selama D 3 T s ketika  S 1 dan S 2 off.  Konverter kemudian beroperasi dalam  DCM.   Untuk konverter CCM, tingkatan  dc  dari  arus  induktor  I 0 bertambah  untuk menyalurkan arus beban yang besar, sedangkan riak arus ∆ I dijaga  konstan  dan  kecil.    Bagaimanapun  untuk  konverter DCM,  dalam  menyalurkan  arus  beban  yang  sama,  harus menggunakan  induktor  dengan  nilai  yang  kecil,  dan  arus induktor bertambah lebih tajam dari nol ke arus puncak I pk yang  lebih  tinggi.    Sebagai  hasilnya,  riak  arus ∆ I  sangat besar,  membangkitkan  gangguan  pensaklaran  dan  riak tegangan yang besar pada keluaran.

## B. Tanggapan transien dan loop gain bandwidth
Pensaklaran konverter dapat beroperasi dengan program kendali tegangan atau arus pada  keluaran.   Dengan kendali program  tegangan  fungsi  transfer  loop  gain  dapat ditunjukkan menjadi [3]
Dengan  A(s)  adalah  gain  dari  perbesaran  kesalahan  yang terdiri  dari  op-amp  dan  kompensasi  jaringan,  H(s)  adalah fungsi transfer kendali keluaran, b adalah faktor penskalaan, D  adalah  duty  rasio  dari  konverter,  V m adalah  tegangan puncak  dari  osilator,  V o adalah  tegangan  keluaran,
0 1/ LC ω = adalah  frekuensi  dari  kutub  kompleks,  dan Q adalah faktor kualitas.  Seperti ditunjukkan pada Gambar 3(a),  dengan  adanya  kutub  kompleks  pada  kendali  fungsi transfer  keluaran  membuat  sangat  sulit  untuk  mendesain kompensator  untuk  mencapai  loop  gain  dengan  bandwidth yang lebar [3].  Ketika konverter beroperasi dengan kendali program  arus,  kendali  fungsi  transfer  keluaran  terdiri  dari dua  kutub  nyata  [3].    Metode  kompensasi  pole  zero  dapat digunakan untuk mencapai gain bandwidth yang lebar [4].
Gambar 2.   Arus induktor saklar konverter (a) CCM dan (b) DCM

## III. KONVERTER PCCM YANG DIUSULKAN

## A. Umum
Buck,  boost  dan  buck-boost  konverter  secara  umum digambarkan seperti pada gambar 3.
Hubungan  antara  duty  ratio  dengan  tegangan  output  dapat digambarkan seperti pada gambar 4.

## B. Konverter dengan kendali pensaklaran freewheel
Untuk  mengurangi  secara  efektif  arus induktor  puncak dalam  satu  induktor  keluaran  banyak  (SIMO) pensaklaran  konverter,  diusulkan  skema  kendali pensaklaran freewheel [5].  Pensaklaran konverter yang baru diusulkan dalam Gambar 5
(2) (a) (3) (b) (4)
(c)
Gambar  3    a.  Buck  Konverter,    b.  Boost  Konverter,    c.  Buck-Boost Konverter
.
(a) (b)

## (c)
Gambar  5.  Blok diagram konverter yang diusulkan. (a) Topologi Buck, (b) Topologi Boost, (c) Topologi Buck-boost
Berbeda dengan Buck konverter konvensional, penambahan saklar  daya  S 3 (disebut  saklar  freewheel)  pMOS ditambahkan  pada  induktor.    Selama  periode  D 1 T s ,  saklar pMOS S 1 dalam keadaan on, sedangkan saklar S 2 dan S 3 off. Arus  induktor  bertambah  dengan  kemiringan  (V g –  V o )  /L. Dalam D 2 T s , S 1 dan S 3 off.   Saat Saklar  daya  nMOS S 2 on. Arus induktor berkurang dengan kemiringan – V o /L sampai mencapai  tingkatan  arus  I dc .    Kemudian  konverter memasuki  periode  D 3 T s dengan  S 3 on  sementara  S 1 dan  S 2 off.    Arus  induktor  tetap  konstan  pada  I dc karena  saklar  S 3 menghubungsingkat  L dan tegangan pada induktor menjadi sama dengan nol.  Pengoperasian dari Buck konverter
Gambar 6. Bentuk gelombang arus induktor dalam tiga mode operasi yang berbeda.
pensaklaran freewheel sama dengan DCM tradisional, tetapi arus induktor tetap konstan pada nilai I dc sebagai pengganti nol  selama  D 3 T s .    Ini  memungkinkan  konverter  untuk menyalurkan  arus  yang  besar  dengan  menyederhanakan Boosting tingkatan arus I dc dalam Gbr. 6. Tingkatan  dari  I dc ditentukan  secara  adaptif  oleh  daya beban waktu nyata dari konverter.  Dengan V o adalah tetap, daya  beban  adalah  proporsional  linier  dengan  arus  beban dan  arus  induktor.    Sensor  arus  yang  terpadu  untuk pengukuran  arus  online  [6].    Berdasarkan  arus  beban,  satu dari  delapan  tingkatan  I dc yang  sudah  diketahui  akan digunakan.    Jika  rangkaian  sensor  arus  merasakan  arus besar,  maka  tingkatan  tinggi  dari  I dc dipilih.    Selain    itu, salah  satu  yang  rendah  akan  digunakan  untuk  daya  beban rendah.    Rangkaian  kendali  memastikan  bahwa  I dc selalu lebih  rendah  sedikit  daripada  arus  beban    rata  –  rata  I o untuk  memastikan  operasi  PCCM,  dan  menyesuaikan  I dc menurut batas waktu on dari S 3 supaya lebih kurang dari 5% dari setiap periode pensaklaran.  Oleh karena itu, arus rata – rata dari S 3 sangat rendah daripada S1 dan S2, dan rugi daya karena S3 dapat sangat rendah, sehingga memungkinkan S3 untuk  di  implementasikan  oleh  kebanyakan  transistor dengan  daya  yang  sangat  kecil.    Mode  operasi  ini  disebut PCCM  dalam  [5]  karena  mendapatkan  kemampuan penanganan  arus  yang  sama  seperti  konverter  CCM,  tetapi bentuk  arus  induktor  adalah  menyerupai  konverter  DCM. Keuntungan dari konverter ini adalah mengurangi riak arus dan tegangan.

## C. Peningkatan Bandwith pada desain yang diusulkan
Fitur  yang  lain  dari  operasi  PCCM  adalah  performasi transien  yang  cukup  baik.    Sama  dengan  konverter  DCM, konverter  PCCM  memperlihatkan  perilaku  sistem  satu kutub.    Hal  ini  dapat  dijelaskan  dengan  melihat  Gbr.  2(b). Untuk  konverter  CCM,  tingkatan  dayanya  adalah  sistem orde  dua  karena  dua  komponen  reaktif  C  dan  L  dengan variabel  keadaan  yang  berhubungan  dengan  tegangan kapasitor  V C dan  arus  induktor  I L .    Bagaimanapun,  untuk konverter  DCM,  I L di  set  ke  nol  pada  setiap  siklus pensaklaran, eliminasi I L sebagai variabel keadaan dan orde dari sistem direduksi ke 1.  Untuk kasus PCCM, I L di set ke I dc konstan  setiap  siklus  pensaklaran.    Dalam  kondisi
analisis sinyak kecil, I L disamakan di set ke nol, dan fungsi transfer dari tingkatan daya kemudian pada orde satu.  Oleh karena itu, kompensasi pole zero [7] dapat digunakan untuk memperluas  bandwidth  loop  gain,  seperti  ditunjukkan dalam  Gambar  7(a).    Untuk  perbandingan,  metode kompensasi  pole  dominan  untuk  konverter  CCM  di tunjukkan dalam Gambar 7(b).

## I. HASIL DAN SIMULASI PERCOBAAN
Untuk  verifikasi  ide  dari  desain,  tiga  Buck  konverter, beroperasi dalam DCM, CCM, dan PCCM, secara berurutan di  desain.    Kunci  spesifikasi  desain  diperlihatkan  dalam Tabel 1.    Untuk perbandingan yang seimbang, konverter
Gambar  7    (a)  Kompensasi  pole  zero  buck  konverter  PCCM.            (b) Kompensasi pole dominan buck konverter CCM
dioperasikan  dengan  daya  beban,  frekuensi  pensaklaran, tegangan  masukan  dan    arus  masukan  yang  sama. Bagaimanapun,  untuk  menyalurkan  daya  yang  sama, perubahan  dalam  arus  induktor  dari  konverter  DCM  harus lebih  besar  dari  yang  lain,  dan  induktor  yang  lebih  kecil (10µH)  yang  digunakan.    Sebagai  konsekuensinya,  untuk menjaga  riak  tegangan  yang  sama,  konverter  DCM membutuhkan kapasitor filter yang besar (50µF).   Dengan mengabaikan  kapasitor  yang  lebih  besar,  konverter  DCM masih  menghasilkan  arus  dan  tegangan  riak  yang  lebih besar  dan  itu  juga  yang  selalu  menyebabkan  tanggapan transien  menjadi  lambat.    Karena  itu,  konverter  DCM memberikan  tanggapan  transien,  riak  arus  dan  tegangan yang  paling  buruk.  Dengan  demikian  hasil  perbandingan jadi di fokuskan pada konverter CCM dan PCCM.
Di lain pihak , jika diperbandingkan PCCM dengan topologi yang berbeda maka diperoleh seperti pada gambar 9.
Gambar 8. Tegangan keluaran dan arus induktor dari tiga konverter.
(a)
(b)

## 1. KESIMPULAN

## (c)
Gambar  9.  Hasil  Simulasi  dari  a.  Topologi  Buck,  b.  Topologi  Boost,  c. Topologi Buck-Boost

## V. KESIMPULAN
Hasil percobaan dengan perbandingan penggunaan tiga tipe pensklaran  freewheel  menunjukkan  bahwa  hasil  keluaran mengikuti karakteristik dasar dari masing-masing topologi. Hasil simulasi dan pengujian diperlihatkan bahwa converter PCCM mempunyai  riak arus dan riak tegangan lebih kecil dibandungkan    konverter  DCM,  dan  juga  konverter  PCCM membutuhkan waktu lebih cepat untuk merespon perubahan arus beban dibanding CCM.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]  M.T.  Zhang  et  al.,  “Design  consign  considerations  for  low-voltage on-board  DC/DC  modules  for  next  generations  of  data  processing circuits”,  IEEE  Trans.Power  Electron,  vol  11,  no  3,  pp.  328-337, Mar. 1996.
[2]  R.Erickson and  D.Maksimovic, Fundamentals of power Electronics, 2 nd ed. Norwell, MA: Kluwer, 2000.
[3]  W.H.Ki,  “Signal  flow  graph  in  loop  gain  analysis  of  dc-dc PWMCCM  switching  converters”,  IEEE  Trans.  Circuit  Syst.  1, Fundam. Theory Appl., no 6, pp. 644-654, Jun.1998.
[4]  C.Lee  and  P.Mok,  “A  monolithic  current-mode  CMOS  dc-dc converters  with  on-chip  current  sensing  technique”,  IEEE  J.Solid- State Circuit, vol. 39, no. 1, pp. 3-14, Jan. 2004.
[5]  D.Ma,  W.H.Ki,  and  C.Y.  Tsui,”A  Pseudo-CCM/DCM  SIMO switching  converter  with  freewheel  switching”,  IEEE  J.  Solid-state Circuit, vol. 38, no 6, pp.1007-1014, Jun. 2003.
[6]  D.  Ma  and  C.  Zhang,  “Thermal  compensation  method  for  CMOS digital  integrated  circuits  using  temperature-adaptive  dc-dc converter”, IEEE Trans. Circuits Syst. II, Exp. Briefs, vol. 53, no. 11, pp. 1284-1288, Nov. 2006
[7]  D.Ma  et  al.,  “Single-inductor  dual-output  CMOS  switching converters in discontinuous-conduction mode  with  time-multiplexing control”, IEEE J.Solid-State Circuits,  vol. 38,  no.  1,  pp.89-100, Jan. 2003.

## RIWAYAT PENULIS
Lahir  di  Manado,  19  Maret  1976,  meraih  gelar Sarjana  Teknik  dari  Jurusan  Teknik  Elektro, Fakultas  Teknik  Universitas  Sam  Ratulangi  pada tahun 2002, Magister Teknik dari Jurusan Elektro bidang  Studi  Sistem  Tenaga  Listrik  Institut Teknologi Sepuluh Nopember, saat ini merupakan staf  pengajar  tetap  di  Universitas  Sam  Ratulangi Manado  pada  Fakultas  Teknik  Jurusan  Elektro sejak 2005.