Selama rangkaian catu daya berpotensi berinteraksi dengan sirkuit lain, perangkat keras, infrastruktur, atau pengguna manusia, situasi tegangan lebih yang merusak dapat terjadi. Isolasi fisik atau elektronik (biasa disebut isolasi listrik) antara titik interaksi arus dan potensial sangat penting untuk keselamatan dan pengoperasian sirkuit secara berkelanjutan. Isolasi juga dapat mengurangi noise yang tidak perlu pada sinyal keluaran.
Persyaratan isolasi sangat umum terjadi pada robot, peralatan jaringan listrik tegangan tinggi, peralatan bengkel pabrik, aplikasi otomotif, dan produk konsumen. Saat merancang sistem isolasi, perlu juga mempertimbangkan kekhususan aplikasinya, seperti tegangan input variabel, penggunaan daya baterai, atau kebutuhan akan kemasan yang ringkas.
Untuk memilih komponen isolasi yang tepat, perancang perlu memahami kelebihan, kekurangan, dan komposisi berbagai struktur isolator. Dengan pemahaman ini, mereka dapat mengadopsi isolator yang paling efektif, andal, dan hemat ruang dalam desain elektronik.
Kenali isolatornya
Isolasi listrik dapat dicapai dengan berbagai cara, namun semuanya memiliki prinsip dasar yang sama: masukan tegangan tinggi pada sisi primer diisolasi dari sisi sekunder arus rendah dan tegangan rendah melalui beberapa penghalang fisik. Detail penghalang isolasi dan metode transmisi daya, sinyal, atau keduanya melalui penghalang isolasi bergantung pada jenis isolator.
Optocoupler menggunakan LED untuk mengubah sinyal pada sisi primer dari pulsa listrik menjadi foton. Di sisi sekunder, elemen fotosensitif seperti fototransistor, fotodioda, atau transistor efek medan fotolistrik menerima foton dan mengubahnya menjadi sinyal listrik. Selain mengisolasi secara fisik sirkuit primer dan sekunder, optocoupler juga dapat secara otomatis menghilangkan noise yang tidak perlu pada sinyal output dan mencegah loop grounding.
Pada magnetic coupler, tegangan pada belitan primer transformator menghasilkan medan magnet. Medan magnet ini akan menghasilkan tegangan induksi pada belitan sekunder, sehingga mentransmisikan sinyal listrik dengan tetap menjaga isolasi listrik. Transformator dapat memiliki dua belitan independen pada satu inti besi, atau dapat berupa dua induktor, masing-masing dengan belitan yang melingkari inti besinya sendiri, dipisahkan oleh bahan insulasi. Alasan perancang memilih kopling magnet adalah karena memiliki kemampuan tegangan tinggi, waktu respon yang relatif cepat, dan kemampuan menyaring gangguan sinyal. Namun, ukuran isolator, kemungkinan timbulnya panas, dan timbulnya interferensi elektromagnetik juga harus dipertimbangkan.
Coupler kapasitif menggunakan kapasitor yang terdiri dari dua elektroda yang dipisahkan oleh bahan dielektrik. Tegangan masukan akan mengakumulasi muatan pada elektroda sisi primer. Ini menghasilkan medan listrik dan menginduksi tegangan pada elektroda sekunder. Coupler kapasitif dikenal karena ukurannya yang kecil, konsumsi daya yang rendah, dan respons yang cepat terhadap perubahan input, menjadikannya nyaman dan efisien untuk mentransmisikan sinyal listrik melintasi gerbang isolasi. Perancang harus mengambil tindakan untuk melindungi skrup kapasitif dari pengaruh tegangan input, kelembaban lingkungan, dan kerusakan dielektrik yang melebihi kemampuannya.
Menyebarkan isolator digital
Salah satu jenis isolator di atas dapat diintegrasikan ke dalam sistem isolator digital pada sirkuit terpadu (IC). Struktur topologi ini selanjutnya dapat diintegrasikan dengan modul daya atau komponen transmisi sinyal untuk membentuk sistem isolasi digital lengkap dalam satu chip. Struktur topologi umum sistem isolator digital meliputi flyback, half bridge, dan push-pull.
Catu daya flyback mengadopsi bentuk isolasi magnetik, yang menggabungkan induktor shunt dengan konverter buck boost untuk membangun transformator, sehingga menambah atau mengurangi tegangan masukan arus searah (DC) agar sesuai dengan keluaran yang diperlukan. Umpan balik dari konverter buck boost disediakan oleh belitan induktor tiga tahap atau optocoupler. Disarankan untuk menggunakan catu daya flyback dalam aplikasi berdaya rendah, namun perancang harus menyadari bahwa EMI yang tidak diperlukan dapat dihasilkan.
Desain setengah jembatan (H-bridge) mencakup generator gelombang persegi H-bridge, rangkaian resonansi yang terdiri dari dua induktor dan satu kapasitor (LLC), dan dua penyearah yang dapat memberikan tegangan keluaran DC yang diperlukan. Dibandingkan dengan desain tertentu, penyearah dapat mencapai daya keluaran yang lebih tinggi, dan disarankan untuk menggunakan desain isolasi jembatan-H untuk aplikasi daya sedang.
Catu daya terisolasi dorong-tarik menggunakan dua transformator untuk kopling magnetik. Dua sakelar secara bergantian mengganti trafo untuk menerima tegangan masukan. Dua dioda penyearah jembatan penuh di sisi sekunder dapat memprediksi perubahan tegangan dan mengaturnya ke keluaran simetris.
Untuk meningkatkan kontrol, perancang dapat memilih untuk menambahkan driver trafo ke perangkat dorong-tarik. Driver ini mengintegrasikan osilator, pembagi frekuensi, dan pengontrol logika untuk mengoordinasikan pembukaan dan penutupan sakelar dalam mode BBM. Mode ini dapat menghasilkan sinyal keluaran yang relatif konstan sekaligus melindungi komponen internal dan hilir dari kerusakan akibat menghubungkan dua sakelar secara bersamaan.
Sistem dengan driver transformator juga dapat menggunakan regulator linier dropout rendah (LDO) untuk mengontrol keluaran, mengganti dioda penyearah, atau meningkatkan fungsinya. Perbedaan tegangan adalah perbedaan minimum antara tegangan masukan dan tegangan keluaran, di bawah ini rangkaian tidak dapat mengatur keluaran sepenuhnya. Di LDO, perbedaan ini sangat kecil, memastikan pengoperasian yang andal pada rentang tegangan input yang luas.