Buck-boost converter memiliki keunggulan-keunggulan buck-converter dan boost-converter. Ia diperlukan manakala tegangan keluaran yang diinginkan tetap berada pada level yang telah ditentukan meskipun tegangan masukan (misalnya dari baterai) telah merosot hingga ke level yang tidak efektif lagi untuk kinerja sebuah rangkaian konverter.
Dengan diterapkannya buck-boost converter berkurangnya level tegangan masukan menjadi dapat lebih ditolerir atau (dengan kata lain) range tegangan input menjadi lebih lebar lagi dari sebelumnya. Dengan begitu efisiensi penggunaan baterai sebagai sumber tegangan masukan menjadi lebih baik.
Buck-boost converter dan cara kerjanya.
Ada beberapa model buck-boost converter dengan metode kerja yang berbeda, salah satu di antaranya yang cukup populer dan menjadi dasar buck-boost converter adalah sebagaimana yang dipaparkan berikut ini :
Di dalam rangkaian buck-boost converter terdapat sirkit buck-converter dan boost converter.
Sebagaimana telah disinggung di dalam tulisan sebelumnya bahwa sebuah rangkaian buck-converter memerlukan tegangan masukan yang lebih tinggi beberapa Volt (biasanya 3V atau lebih) dari tegangan keluarannya. Apabila tegangan masukan (V+in) berkurang levelnya hingga di bawah itu maka sebuah buck-converter tidak akan akurat lagi menghasilkan tegangan keluaran yang tepat atau tegangan keluaran menjadi tidak stabil.
Pada saat seperti itulah diperlukan boost-converter agar tegangan yang telah turun itu dapat kembali dinaikkan kepada level yang diinginkan sehingga beban (load) di sirkit keluaran tetap mendapatkan suplai tegangan sebagaimana mestinya.
Pada gambar diperlihatkan rangkaian dasar buck-boost converter.
T1, D1 dan L1 membentuk rangkaian buck-converter, sedangkan T2, L1 dan D2 membentuk rangkaian boost-converter. Di sini L1 berperan ganda, yaitu sebagai induktor bagi buck-converter ataupun bagi boost-converter.
Jika level tegangan masukan normal, buck-converter akan bekerja sebagaimana mestinya sedangkan boost-converter tidak bekerja. Hanya saja tegangan keluaran akan sedikit lebih kecil karena terambil oleh tegangan maju D2, sebab dioda ini menghantar. Dengan demikian untaian ‘fly-wheel’ di sini mencakup L1, D2, C1 dan D1.
Ketika sirkit buck-converter bekerja, basis T1 mendapatkan denyut-denyut tegangan positif dari generator sinyal/osilator.
Tentang cara kerja buck-converter telah dijelaskan di dalam tulisan sebelumnya : Buck converter .
Jika tegangan masukan merosot hingga ke level tertentu maka buck converter tetap bekerja karena basis T1 masih mendapatkan denyut-denyut tegangan, namun level tegangan keluaran sudah akan ikut menurun juga. Pada saat itulah boost-converter mulai bekerja menaikkan tegangan yang sedianya akan menurun.
Basis T2 lalu mulai mendapatkan denyut-denyut tegangan positif sebagaimana T1. Sementara itu tegangan keluaran diregulasi agar tetap berada pada level stabil yang telah ditentukan.
T1 dan T2 lalu ON dan OFF secara serempak. Apabila basis kedua transistor sedang mendapatkan denyut tegangan positif maka T1 menghantarkan tegangan masukan V+in ke titik x sehingga tegangan di titik x itu akan nyaris sama dengan tegangan V+in. Tegangan ini dilewatkan/diluluskan oleh induktor (L1) ke titik y.
Akan tetapi di saat yang bersamaan T2 juga ON dan meng-ground-kan titik y sehingga di titik itu praktis tegangan menjadi nol Volt. Mengalirlah arus maksimal melalui L1 karena adanya perbedaan potential antara titik x dan y. Pada saat inilah energi listrik tersimpan di L1.
Ketika basis kedua transistor tidak lagi mendapatkan denyut tegangan positif (waktu kosong denyut) maka kedua transistor tidak lagi ON. Pada saat ini energy yang tersimpan di L1 dilepaskan dan tegangan di titik y menjadi lebih tinggi dari titik x.
Tingginya tegangan di titik y bahkan menjadi lebih tinggi dari level tegangan V+in (tegangan masukan) sebab di sini prinsip boost-converter berlaku. Tentang ini telah dijelaskan sebelumnya dalam : Boost-converter .
D2 lalu menghantarkan tegangan ini untuk mengisi muatan C1 dan mengaliri arus ke beban (load). Ini berlangsung sesaat, yaitu ketika basis kedua transistor sedang tidak mendapatkan denyut tegangan positif.
Ketika kedua transistor kembali mendapatkan denyut tegangan positif maka T1 dan T2 kembali ON secara serempak. T1 menghantarkan tegangan V+in ke titik x dan T2 meng-ground-kan titik y.
Titik y kembali menjadi praktis nol Volt. Pada saat ini pun kembali terjadi penyimpanan energi di L1.
Meskipun titik y praktis menjadi nol Volt, namun beban tetap teraliri arus karena C1 yang sebelumnya telah terisi muatan kini membuang muatannya ke beban. Muatan C1 hanya terlimpahkan ke beban dan tidak ada aliran arus dari C1 ke titik y meskipun di titik itu telah menjadi nol Volt, sebab disumbat oleh D2 (ingatlah tentang sifat-sifat dioda).
Mulai bekerjanya sirkit buck-converter dan boost-converter secara bersama-sama adalah ketika tegangan V+in menurun hingga ke level tertentu dan level ini ditentukan titik rendahnya.
Sebuah sirkit tambahan diadakan untuk menyensor tegangan V+in (sirkit ‘sense’).
Sirkit ini akan beraksi menyalurkan denyut-denyut tegangan ke transistor boost-converter apabila ia telah mendeteksi bahwa tegangan V+in telah turun ke titik rendah yang ditentukan.
Adapun besarnya tegangan keluaran yang dihasilkan oleh buck-boost converter secara praktis dapat ketahui dari perhitungan :
V+out = V+in . D / (1-D)
V+out adalah tegangan keluaran dalam Volt
V+in adalah tegangan masukan dalam Volt
D adalah faktor duty-cycle
Dalam penerapannya D dibuat tidak melampaui angka 0,8 sebagaimana halnya pada boost-converter.
Contoh : Jika V+in = 16V dan D = 0,7 maka V+out = 16 x 0,7 / (1-0,7) = 37,33V.
Agar tegangan keluaran dapat diatur sesuai dengan yang diinginkan maka ditambahkan pula sirkit pengontrol tegangan keluaran (sirkit ‘control’).
Sirkit ini akan merubah-rubah faktor duty-cycle berdasarkan besar-kecilnya tegangan yang diumpankan kepadanya, dan tegangan yang diumpankan itu diambil dari V+out.
Dengan demikian V+out dibuat stabil meskipun V+in levelnya tidak tetap atau bervariasi.
Untuk penerapan pada rangkaian-rangkaian elektronik yang menggunakan suplai DC tegangan rendah, pada buck-boost converter digunakan transistor-transistor MOSFET sedangkan dioda-dioda menggunakan jenis schottky.
Transistor MOSFET lebih sempurna berperan sebagai ‘switch’ dan dioda schottky mempunyai tegangan maju (FVD) yang sangat kecil sehingga meminimalisir tegangan hilang karena terambil oleh tegangan maju dioda.
Pengembangan buck-boost converter.
Buck-boost converter terus dikembangkan orang untuk mendapatkan hasil yang lebih baik pada area penggunaan yang lebih meluas.
Pada kelanjutannya muncul beberapa model buck-boost converter dengan cara kerja yang lebih variatif. Sebagian di antaranya adalah : Bidirectional buck-boost converter, Forward hybrid converter, Synchronous buck-boost converter, dan Buck-boost and flyback converter.
Contoh rangkaian buck-boost converter.
Kini telah banyak beredar rancangan-rancangan buck-boost converter yang menggunakan IC. Satu di antaranya (sebagai contoh) adalah rangkaian dengan IC MC34063 dari Motorolla.
MC34063 dapat menurunkan dan menaikkan tegangan hingga maksimal 40V, arus maksimalnya 1,5A (pada tegangan operasional minimal). Tegangan masukan (V+in) bervariasi antara 3V sampai dengan 40V.
IC ini bekerja pada frekwensi denyut 100kHz.
Gambar memperlihatkan contoh rangkaian buck-boost converter dengan MC34063 yang dapat mengeluarkan tegangan stabil 10V dengan arus 120mA. Tegangan masukannya antara 4,5V...14,5V.
Rangkaian ini adalah bentuk rancangan buck-boost converter generasi awal.
Transistor power-switching pertama adalah MPSU51A yang berperan sebagai ‘switch’ buck-converter. Sedangkan transistor kedua ada di dalam internal IC dan berperan sebagai ‘switch’ boost-converter.
Kontrol tegangan keluaran dilakukan melalui pin 5 dengan ratio perbandingan antara Rx dan Ry.
Pin 7 merupakan pin deteksi arus kerja maksimum. Nilai resistor yang terhubung ke pin ini dan pin 6 (0,22Ω) menentukan besar arus maksimal yang masih diperbolehkan.
