SMPS power supply adalah salah satu jenis power supply yang banyak digunakan dalam berbagai perangkat elektronik. Power supply ini menggunakan prinsip kerja switching untuk mengubah tegangan dan arus listrik dari sumber masukan ke sumber keluaran sesuai dengan kebutuhan.
SMPS memiliki beberapa keunggulan dibandingkan dengan power supply linear, seperti efisiensi yang lebih tinggi, ukuran yang lebih kecil, dan berat yang lebih ringan. Namun, SMPS juga memiliki beberapa tantangan dalam desain dan implementasinya.
Tantangan itu seperti kompleksitas rangkaian, gangguan elektromagnetik (EMI), dan faktor daya yang rendah. Di bawah akan dijelaskan mulai dari prinsip kerja hingga tipologinya.
Prinsip Kerja SMPS Power Supply
Cara kerja SMPS Power Supply adalah menggunakan saklar elektronik untuk mengatur rasio waktu nyala dan mati (duty cycle) dari sinyal tegangan atau arus listrik yang masuk ke rangkaian. Dengan cara ini, tegangan atau arus listrik yang keluar dari rangkaian dapat diatur sesuai dengan kebutuhan.
Saklar elektronik biasanya berupa transistor atau MOSFET yang dapat beroperasi pada frekuensi tinggi, mulai dari ratusan kHz hingga beberapa MHz. Frekuensi tinggi ini memungkinkan penggunaan transformator yang lebih kecil dan ringan untuk mengubah level tegangan atau arus listrik.
Selain itu, frekuensi tinggi juga mengurangi nilai kapasitor dan induktor yang diperlukan untuk menyaring sinyal listrik. SMPS terdiri dari beberapa bagian utama, yaitu:
1. Rectifier
Bagian dari Rectifier ini berfungsi untuk mengubah sinyal listrik AC menjadi DC. Rectifier biasanya menggunakan dioda sebagai komponen utama. Jika sumber masukan adalah tegangan AC 220V 50Hz, maka rectifier akan menghasilkan tegangan DC sekitar 310V.
2. Filter
Bagian ini berfungsi untuk menyaring sinyal listrik DC yang dihasilkan oleh rectifier agar lebih halus dan stabil. Filter biasanya menggunakan kapasitor sebagai komponen utama. Kapasitor akan menyimpan dan melepaskan muatan listrik sesuai dengan perubahan sinyal listrik.
3. Switching Regulator
Bagian ini adalah inti dari SMPS Power Supply. Switching regulator berfungsi untuk mengatur duty cycle dari sinyal listrik DC yang masuk ke rangkaian. Switching regulator biasanya menggunakan transistor atau MOSFET sebagai komponen utama.
Baca Juga: Mengenal Switch Mode Power Supply (SMPS) dan Komponennya
4. Transformer
Bagian ini berfungsi untuk mengubah level tegangan atau arus listrik sesuai dengan kebutuhan. Transformer biasanya menggunakan kumparan primer dan sekunder yang terhubung melalui inti besi atau ferit.
Rasio antara jumlah lilitan kumparan primer dan sekunder menentukan besarnya perubahan level tegangan atau arus listrik.
5. SMPS Power Supply Output Rectifier And Filter
Bagian ini berfungsi untuk mengubah sinyal listrik AC yang dihasilkan oleh transformer menjadi DC. Output rectifier and filter biasanya menggunakan dioda, kapasitor, dan induktor sebagai komponen utama.
Dioda akan memotong setengah gelombang negatif dari sinyal listrik AC, sehingga hanya gelombang positif yang dilewatkan. Kapasitor dan induktor akan menyaring sinyal listrik DC agar lebih halus dan stabil.
6. Feedback and Control Circuit
Bagian ini berfungsi untuk mengontrol kinerja switching regulator agar dapat menghasilkan sinyal listrik DC yang sesuai dengan spesifikasi keluaran.
Feedback and control circuit biasanya menggunakan optocoupler, resistor, zener diode, dan IC regulator sebagai komponen utama. Optocoupler akan mengirimkan sinyal feedback dari keluaran ke switching regulator tanpa adanya hubungan langsung antara keduanya.
Resistor dan zener diode akan menentukan nilai referensi tegangan untuk IC regulator. IC regulator akan mengatur duty cycle dari switching regulator sesuai dengan perbandingan antara nilai referensi tegangan dan sinyal feedback.
Topologi SMPS
Topologi SMPS Power Supply adalah susunan rangkaian dari komponen-komponen SMPS yang menentukan cara kerja dan karakteristik dari SMPS itu sendiri. SMPS dapat dibedakan menjadi dua jenis utama, yaitu topologi non-isolated dan topologi isolated.
1. Topologi Non-Isolated
SMPS Power Supply topologi non-isolated adalah topologi SMPS yang tidak menggunakan transformer sebagai bagian dari rangkaian. Topologi non-isolated biasanya digunakan untuk mengubah level tegangan atau arus listrik DC tanpa mengubah polaritasnya.
Topologi ini memiliki beberapa keunggulan, seperti efisiensi yang lebih tinggi, ukuran yang lebih kecil, dan biaya yang lebih rendah.
Namun, topologi ini juga memiliki beberapa kelemahan, seperti tidak adanya isolasi galvanik antara masukan dan keluaran, sehingga berisiko terjadi lonjakan tegangan atau arus listrik yang dapat merusak perangkat. Beberapa contoh topologi non-isolated adalah:
Buck Converter
Topologi ini berfungsi untuk menurunkan level tegangan atau arus listrik DC. Buck converter menggunakan transistor sebagai saklar elektronik yang akan menyala dan mati secara bergantian pada frekuensi tinggi.
Boost Converter
Topologi ini berfungsi untuk menaikkan level tegangan atau arus listrik DC. SMPS Power Supply Boost converter menggunakan transistor sebagai saklar elektronik yang akan menyala dan mati secara bergantian pada frekuensi tinggi.
Buck-boost Converter
Topologi ini berfungsi untuk menaikkan atau menurunkan level tegangan atau arus listrik DC dengan mengubah polaritasnya. Buck-boost converter menggunakan transistor sebagai saklar elektronik yang akan menyala dan mati secara bergantian pada frekuensi tinggi.
2. Topologi Isolated
Isolated adalah topologi SMPS Power Supply yang menggunakan transformator sebagai bagian dari rangkaian. Topologi isolated biasanya digunakan untuk mengubah level tegangan atau arus listrik AC atau DC dengan adanya isolasi galvanik antara masukan dan keluaran.
Topologi isolated memiliki beberapa keunggulan, seperti perlindungan terhadap lonjakan tegangan atau arus listrik, kemampuan untuk menghasilkan lebih dari satu keluaran dengan level yang berbeda-beda, dan fleksibilitas dalam desain rangkaian.
Namun, topologi isolated juga memiliki beberapa kelemahan, seperti efisiensi yang lebih rendah, ukuran yang lebih besar, dan biaya yang lebih tinggi. Beberapa contoh topologi isolated adalah:
Flyback Converter
Topologi ini berfungsi untuk menaikkan atau menurunkan level tegangan atau arus listrik AC atau DC dengan menggunakan satu kumparan induktor sebagai transformator.
SMPS Power Supply Flyback converter menggunakan transistor sebagai saklar elektronik yang akan menyala dan mati secara bergantian pada frekuensi tinggi.
Forward Converter
Topologi ini berfungsi untuk menurunkan level tegangan atau arus listrik AC atau DC dengan menggunakan satu kumparan induktor sebagai transformator.
Push-pull Converter
Topologi ini berfungsi untuk menaikkan atau menurunkan level tegangan atau arus listrik AC atau DC dengan menggunakan dua kumparan induktor sebagai transformator.
Half-bridge Converter
Topologi ini berfungsi untuk menaikkan atau menurunkan level tegangan atau arus listrik AC atau DC dengan menggunakan dua kumparan induktor sebagai transformator.
Half-bridge converter menggunakan dua transistor sebagai saklar elektronik yang akan menyala dan mati secara bergantian pada frekuensi tinggi.
Full-bridge Converter
Topologi SMPS Power Supply ini berfungsi untuk menaikkan atau menurunkan level tegangan atau arus listrik AC atau DC dengan menggunakan dua kumparan induktor sebagai transformator.
Kesimpulan
Switched Mode Power Supply atau disingkat SMPS Power Supply adalah jenis power supply yang memiliki banyak sekali manfaat dan keuntungan bagi perangkat elektronik. Dengan cara kerja switching, SMPS dibagi menjadi dua tipologi: yaitu tipologi non-isolated dan isolated.