SMPS dengan TL494 menggunakan “Gate Drive Transformer”

1

SMPS dengan TL494 menggunakan “Gate Drive Transformer”

res, Mei 2015

revisi : juni 2019

http://restovarius.wordpress.com

restovarius@gmail.com

SMPS dengan TL494 menggunakan “Gate Drive Transformer”

2

PERATURAN SEBELUM MEMBACA LEBIH LANJUT

1. Saya tidak bertanggung jawab akibat dari anda membaca atau mempraktikan apa

yang ada dalam tulisan ini, segala resiko baik materi maupun non materi anda

tanggung sendiri !

2. Rangkaian di dalam tulisan ini sangat tidak disarankan untuk seseorang yang baru

belajar atau mengenal elektronik dan orang yang hanya mau mencoba tanpa mau

memahami,

3. Dengan kondisi tegangan PLN 220V AC, tegangan pada sisi primer SMPS mencapai

lebih dari 300v sehingga faktor keamanan dan keselamatan sangat penting dan jangan

diabaikan karena kematian hanya datang satu kali, bersifat satu arah dan permanen!

4. Dalam tulisan saya hanya mencoba berbagi pengalaman agar bisa digunakan untuk

pengembangan lebih lanjut.

5. Sulisan ini sangat mungkin ada revisi dikemudian hari untuk perbaikan kesalahan dan

pengembangan.

6. Jika anda tidak menyetujui semua atau salah satu point diatas silahkan tutup halaman

ini

SMPS dengan TL494 menggunakan “Gate Drive Transformer”

3

Pengantar

Saya tergerak membuat tulisan ini karena kebanyakan referensi mengenai SMPS ditulis

menggunakan bahasa inggris, tetapi masih banyak orang Indonesia merasa kesulitan untuk

memahaminya.

Saya mencoba menyajikan tulisan dengan format agak resmi resmi tetapi dengan bahasa yang santai

karena pada dasarnya saya suka menulis/berbagi tapi saya tidak/kurang patuh dengan aturan2

penulisan yang baku dan beberapa istilah (menurut saya) agak terdengar aneh ketika di bahasa

Indonesiakan (tolong maafkan saya bpk/ibu guru Bahasa Indonesia)

Saya sendiri masih dalam proses belajar dan bereksperimen dengan SMPS jadi masukan dari

pembaca untuk memperbaiki tulisan ini sangat diharapkan. Tulisan ini berdasarkan materi-materi yang

penulis pelajari dari berbagai sumber dan juga pengalaman langsung dari penulis.

eBook ini dapat disebarluaskan secara gratis, saya hanya berharap dari tulisan yang sederhana ini

bisa bermanfaat. Saya hanya berpesan apa yang anda pelajari dari buku ini dapat menghasilkan uang

itu semua hak anda, jangan lupa zakat/infak/sedekahnya

Untuk yang mengutip tulisan ini ke tulisan lain (kebiasaan mahasiswa nih), C’mon guys tolong ketik

ulang jangan copy paste. Kenapa? Dari pengalaman saya pelajaran yang di dapat/diserap otak akan

berbeda hasilnya dari ketik ulang di banding copy paste.

Saya tidak dapat membahas terlalu dalam setiap point, anda bisa mempelajari lebih lanjut dari sumber

referensi di bagian paling akhir tulisan ini

Bandung, Mei 2015

Salam hangat,

res_

SMPS dengan TL494 menggunakan “Gate Drive Transformer”

4

1. Switchmode Power Supply

Switchmode Power Supply atau lebih mudah disingkat SMPS merupakan catu daya yang bekerja

dengan sistem switching, menggunakan komponen switching (transistor bipolar atau mosfet)

dengan mengatur lama waktu “on” dan “off” untuk mencapai tegangan keluaran yang diperlukan

atau dengan kata lain mengatur lebar pulsa on/off yang dikenal dengan Pulse Width Modulation

(PWM).

Penggunaan SMPS sebagai sumber tegangan DC semakin populer untuk menggantikan power

supply konvensional 50Hz. Untuk kemampuan daya yang sama SMPS memiliki kelebihan dari

Power supply konvensional dari sisi ukuran yang bisa jauh lebih kecil, lebih ringan, dan lebih

efisien. Meskipun demikian SMPS memiliki kekurangan yaitu desainnya lebih kompleks yang

tidak mudah dipelajari oleh sebagian orang.

Meskipun belakangan ini mulai populer sistem SMPS soft switching yang lebih baik dibandingkan

SMPS hard switching yang menggunakan TL494 pada kenyataannya saat ini SMPS yang banyak

beredar di pasaran banyak di dominasi oleh SMPS dengan IC TL494, terutama SMPS dengan

merek2 generik. Menurut saya TL494 ini chip merupakan legend, merupakan chip generasi

pertama yang dikenalkan sekitar takhir ahun 70 an. Dengan fitur yang ditawarkan 40 tahun yang

lalu yang tidak secanggih chip generasi sekarang tetapi chip ini masih saja banyak digunakan.

Saya memilih kombinasi TL494 dengan GDT (gate drive transformer) karena karena penggunaan

IC half bridge driver untuk mosfet harganya relatif lebih mahal dibanding GDT juga banyak

beredar IC driver palsu di pasaran.

SMPS dalam tulisan ini memiliki dual output unregulated, SMPS dual output biasa digunakan

untuk mensupply Audio Amplifier. Audio amplifier kelas AB umumnya memiliki PSRR yang tinggi

jadi tidak membutuhkan regulasi, amplifier juga merupakan beban yang dinamis yang cukup sulit

untuk meregulasinya dengan baik.

SMPS dengan TL494 menggunakan “Gate Drive Transformer”

5

2. Bagian Rectifier Primer, Soft Start dan EMI Filter

Gambar 2.1. Emi filter, rectifier primer dan soft start

EMI Filter

EMI Filter berfungsi mencegah noise switching masuk ke jaringan listrik dan ke rangkaian yang

terhubung ke SMPS dan juga sebaliknya. Tersusun dari kapasitor C1,C2,C3,C6 dan common

mode induktor L1.

Rectifier Primer

Bagian ini berfungsi untuk merubah tegangan AC menjadi tegangan tinggi DC. D1 berfungsi

menyearahkan tegangan listrik AC menjadi DC, C7, C8, R4, R5 berfungsi meratakan tegangan

DC tersebut dan sebagai pembagi dua. Tagangan pada titik VB sebesar ≈ 308V (lebih tepatnya

tepatnya √2 x 220v – 2Vfdioda).

Pemilihan D1 selain karena kebutuhan arus primer juga dipengaruhi oleh arus inrush dari softstart

Pin = Pout/effisiensi

I(rms) = Pin(rms)/Vin (rms)

SMPS dengan TL494 menggunakan “Gate Drive Transformer”

6

Misalnya R softstart sebesar 50 ohm dan pertama kali dihidupkan Cin seolah2 short circuit maka

Iss = Vpeak/R = √2 x 220 / 50 = 6,16A

Pilihlah dioda dengan kemampuan arus diatas dari salah satu nilai yang paling tinggi.

Input kapasitor

Kapasitor Cin ( C primer ) minimum 1uF per watt, 2uF lebih baik

Untuk seperti gambar 2.1 maka Cin = C1 diseri dengan C2 atau sama dengan setengah dari C1

(C1 nilainya sama dengan C2. Contohnya jika C1 dan C2 masing-masing 1000uf/ maka Cin =

500uf. Gambar 2.2a digunakan jika menggunakan kapasitor (elko) 200V, gambar 2.2.b digunakan

untuk kapasitor 400V.Rangkaian 2.2.a. akan menguntungkan dari sisi produksi ketika untuk

dipasarkan ke negara yang memiliki tegangan listrik 110 karena 2 kapasitor ini (dengan dioda

recifier) bisa difungsikan sebagai voltage doubler.

Gambar 2.2 Input kapasitor.

Soft Start

Soft start berfungsi untuk mengurangi inrush current (arus kejut) ketika pertama kali SMPS

dihidupkan. Pertama kali arus dilewatkan NTC atau resistor daya besar biasa (R kapur bahasa

gaulnya) untuk membatasi arus, ketika SMPS sudah hidup dengan delay yang dibentuk oleh

rangkaian transistor dan relay menghubung singkat NTC tersebut (gambar 2.1)

SMPS dengan TL494 menggunakan “Gate Drive Transformer”

7

3. Rangkaian Startup dan aux supply

Ketika pertama kali dihidupkan supply untuk TL494 diambil dari B+ (310V) di turunkan

menggunakan regulator linier Q1 dan D1, tegangan di katoda D2 sekitar 10,8. Setelah melewati

7812 sedikit turun lagi tapi sudah cukup untuk meng-on kan TL494 (threshold turn on-nya sekitar

7V max).

setelah SMPS hidup dan aux winding mengeluarkan tegangan dan disearahkan oleh D4 dan C1

maka tegangan di katoda D2 lebih tinggi dibanding anoda (D2 dibias mundur) sehingga startup

circuit berhenti bekerja

4. IC PWM TL494

IC TL494 digunakan sebagai pembangkit gelombang PWM dengan skema dasar seperti gambar

4.1. Kebanyakan SMPS dipasaran menempatkan IC PWM ini di sisi sekunder dengan GDT

sebagai isolasi dengan bagian sisi primer, sedangkan pada tulisan ini IC PWM di tempatkan di sisi

primer, GDT hanya berfungsi sebagai driver mosfet tidak sebagai isolasi antara primer dan sekunder

SMPS dengan TL494 menggunakan “Gate Drive Transformer”

8

Menentukan Frekuensi PWM

Frekuensi oscillator TL494 ditentukan oleh 2 komponen external RT dan CT dengan pendekatan

rumus

Untuk konfigurasi output push pull frekuensi PWM pada kedua output sebesar setengah dari

frekuensi oscillator ini (gambar 4.2). Push pull output diaktifkan dengan menghubungkan Output

Control (pin 13) ke VREF (pin 14)

5. Gate Driver

Keluaran dari TL 494 dikuatkan oleh pasangan totem pole transistor Q1,Q2 dan Q3,Q4 untuk men-

drive GDT.

Gambar 4.1. skema dasar TL494

SMPS dengan TL494 menggunakan “Gate Drive Transformer”

9

Gambar 4.2. Sinyal keluaran TL494

Saya sempat mencoba 2 opsi yang pertama menggunakan output collector (konfigurasi common

emitter) dari TL494 dan yang kedua menggunakan output emittor (konfigurasi emitter follower )

dengan hasil yang sama

1. output diambil dari C (common emitter configuration, silahkan pelajari dari datasheet)

2. output diambil dari E (emitter follower configuration, silahkan pelajari dari datasheet

Gambar 4.3 Konfigurasi totem pole driver

SMPS dengan TL494 menggunakan “Gate Drive Transformer”

10

Gambar 4.4. Bentuk gelombang di C1 dan c2

Bentuk gelombang di C1 dan c2, terlibat seperti tumpang tindih, ini tidak menjadi masalah karena

akan masuk ke H bridge juga (totempole)

Gambar 4.5. keluaran E1 dan E2, terlihat jelas adanya Gap antar sinyal

SMPS dengan TL494 menggunakan “Gate Drive Transformer”

11

Gambar 4.6 Sinyal keluaran GDT dengan konfigurasi output diambil dari C

Gambar 4.7 Sinyal keluaran GDT GDT dengan konfigurasi output diambil dari E

Gambar 4.8. Konstruksi trafo GDT

SMPS dengan TL494 menggunakan “Gate Drive Transformer”

12

6. Trafo

Bentuk fisik trafo

Trafo yang digunakan untuk half bridge converter bisa bermacam macam tipe, ER, EE, EPC,

EER,ETD, RM dll, dari core tersebut dipilih yang tidak memiliki gap di bagian tengahnya

Gambar 6.1 contoh tipe core ferit untuk trafo

Gambar 6.2. Contoh core EER tanpa gap

Menentukan jumlah lilitan primer

Gambar 6.3. core area (luas penampang kaki tengah)

SMPS dengan TL494 menggunakan “Gate Drive Transformer”

13

Yang pertama dilakukan adalah mengetahui luas core area efektif (Ac atau Ae). Kebanyakan ferrite

core yang dijual di toko-toko lokal tidak diketahui mereknya. Yang bisa dilakukan adalah

mengukurnya kemudian mencoba menyamakan dengan datasheet dari beberapa produsen core.

Atau dengan menghitung langsung, untuk core ETD atau EER yang berpenampang linkaran bisa

menggunakan rumus luas lingkaran, untuk trafo EE bisa menggunakan rumus luas persegi

panjang.

Dari nilai Ac dapat digunakan untuk menentukan lilitan primer dengan rumus :

• Np : jumlah gulungan primer

• Vin(dc) : karena listrik di indonesia 220v, maka Vin(dc) = 220v x 1,4 = 308 volt,

lebih tepatnya tepatnya √2 x 220 – 2 Vf(dioda)

• f : frekuensi dalam Hz, misalnya 70kHz maka masukan 70000

• Ac : effective cross sectional area dalam cm2, di datasheet kadang ditulis Ae

• Bmax : maksimum flux density dalam gauss,

Bmax bisa dicoba masukan Bmax antara 1000-2000 gauss. Jika memasukan nilai Bmax terlalu

tinggi bisa menyebabkan core saturasi, ditandai dengan trafo yang panas. Optimalnya makin

sedikit lilitan primer tetapi tidak menyebabkan trafo panas. Saran saya coba masukan nilai Bmax

sekitar 1100 atau 1200 gauss.

Untuk gulungan sekunder menggunakan rumus perbandingan lilitan biasa.

Vs = Vp/Np * Ns

Gulungan berlapis (sandwich winding)

Gulungan berlapis bertujuan untuk meminimalkan lekage inductance dan meningkatkan kopling

primer ke sekunder. Tiap lapisnya dilapisi dengan isolasi

SMPS dengan TL494 menggunakan “Gate Drive Transformer”

14

Gambar 6.4. Sandwich winding

7. Bagian Penyearah sekunder

Dioda penyearah

Tipe dioda :Dioda yang digunakan dalam SMPS dipilih yang berjenis fast recovery atau schottky

dengan reverse voltage yang diperlukan minimal 2x Vout Contoh dioda diantaranya MUR1560,

MUR3060, MBR10100 dll.

Kapasitor sekunder

Kapasitor sebaiknya menggunakan jenis-jenis kapasitor low ESR. Untuk SMPS dengan beban

konstan umumnya tidak memerlukan kapasitor dengan kapasitas besar. Akan tetapi penggunaan

untuk amplifier kelas AB dengan beban dinamis yang bisa terjadi lonjakan kebutuhan arus sesaat,

saya biasanya memasang kapasitor 4400uf-6600uf per output

Output induktor

Untuk smps unregulated dengan duty cycle mendekati 50% output induktor tidak terlalu diperlukan

sampai saat ini SMPS baru mulai prototyping tapi karena terkendala waktu belum di lanjut

SMPS dengan TL494 menggunakan “Gate Drive Transformer”

15

8. Realisasi

Saya menggunakan core menggunakan ETD49 dengan lilitan primer 13+13. Dengan frekuensi

PWM sekitar 55khz. Beberapa komponen di skema mengalami perubahan dikarenakan

penyesuaian dengan komponen dan dengan komponen yang kebetulan saya ada dirumah . lihat

catatan di bagian bawah

Gambar 8.1 komponen sebagian menggunakan SMD

Gambar 8.2 foto tampak atas dari SMPS

SMPS dengan TL494 menggunakan “Gate Drive Transformer”

16

Gambar 8.3 sSinyal pada gate mosfet

catatan perubahan nilai komponen :

• C17 100u – 470u

• nilai R25 yang saya pakai 4.4K (2 resistor 2.2K 2W di seri, kebetulan adanya 2K2) karena

mosfet IRFP460 yang dipakai ternyata memerlukan arus startup yang cukup besar, ketika

memakai 10K kadang susah start

• R44,R45 memakai NTC 47d15 lebih bisa diandalkan menggunakan resistor 47Ohm 10watt

atau kisaran nilai tersebut (misalnya 20 ohm 5watt x2 diseri)

• Dioda sekunder memakai APT15DQ60KG karena kebetulan lagi ngga punya MUR1560

• GDT 1:1:1 dengan induktansi 2-4mH

• diameter input kapasitor hanya 30mm, ada kesalahan pemilihan dalam pembuatan layout

karena ternyata kapasitor 400/450v dengan nilai yg cukup besar (470u misalnya) yang beredar

di pasaran lokal kebanyakan berdiameter 35mm

SMPS dengan TL494 menggunakan “Gate Drive Transformer”

17

9. Desain PCB versi baru :

9.1 Gambar 3D layout PCB

File desain terbaru ini belum sempat saya coba. Desain ini mengakomodir beberapa tipe core

untuk trafonya . Footprint trafo dirancang untuk dapat menggunakancore EER53, EER4220,

EPC4649S

smps tl494 gdt_v2 (skema)

TL494_v2 PCB (layout)

alangkah baiknya yang mencoba skema/layout diatas dapat memberikan feedback

(comment) untuk berbagi dengan yang lain

terima kasih,

res

SMPS dengan TL494 menggunakan “Gate Drive Transformer”

18

Referensi:

• Membuat Trafo GDT, res • Switchmode Power Supply Handbook keith billings, Taylor Morey

• Power Supply Cookbook, Marty Brown

• https://www.powerelectronics.com/power-management/pwm-single-chip-giant-industry

• TL494 Datasheet