Tegangan Operasi Rangkaian Elektronika 3V dari/ke 5V

Dalam teknologi chip, mempercepat kecepatan memproses data berarti akan mengurangi ukuran dari transistor yang akan membangun sebuah microcontroller (mungkin terkait kepadatan transistor pada sebuah design). Sebuah design yang murah tentu saja harus mempunyai ukuran dimensi yang kecil (mungkin ini berkaitan dengan jumlah pasir silicon yang harus dibayar). Dengan memperkecil ukuran tentu saja menyebabkan penurunan breakdown voltage pada transistor, dan akhirnya, penurunan voltase power supply dibutuhkan seiring breakdown voltage berada di bawah level supply voltage. Jadi, seiring meingkatnya kompleksitas dan kecepatan memproses data bertambah cepat, tak dapat dielakan sebuah konsikuensi bahwa supply voltage akan turun dari 5V ke 3.3V, atau bahkan 1.8V untuk sebuah perangkat yang masuk kategori high density atau mempunyai jumlah rangkaian transistor yang sangat banyak. Sebuah tantangan ketika ada beberapa rangkaian yang masih beroperasi pada 5V. Ini berarti, sebagai seorang designer harus mencari akal agar dapat mengghubungkan kinerja antara perangkat dengan level kerja 3.3V dan 5V. Selanjutnya, tidak hanya mengubah voltase untuk voltase logika digital saja, akan tetapi memberi tegangan supply pada system 3.3V dan mengubah signal analog dari 3.3V/5V.

Misal kita mempunyai sebuah power supply yang stabil 5V dan akan memanfaatkannya untuk membuat power supply 3.3V. Sebuah disain dengan kebutuhan konsumsi arus yang kecil atau biasa-biasa saja hanya akan membutuhkan rangkaian linear regulator sederhana. Sebuah rangkaian yang mempunyai kebutuhan arus lebih besar akan memerlukan switching regulator sebagai solusinya. Jika memperhatikan harga mungkin bisa menggunakan discrete diode regulator. Berikut table perbandingannya.

  1. 1.       Power supply 3V dari 5V menggunakan LDO (Low Dropout) Regulator

LDO regulator mempunyai 4 bagian utama:

  1. Pass transistor
  2. Bandgap reference
  3. Operational amplifier
  4. Feedback resistor devider

2.       Power supply alternative hemat menggunakan diode zener

Akan tetapi rangkaian ini lebih sensitive akan beban dibanding LDO regulator.  Selain itu, rangkaian ini mempunyai energy efisiensi yang kecil, power selalu terdisipasi pada R1 dan D1.

3.       Power supply alternative menggunakan 3 dioda penyearah

Rangkaian ini lebih efektif dalam hal biaya daripada menggunakan zener. Tarikan arus dengan rangkaian ini biasanya lebih kecil dibanding dengan menggunakan zener.

Jumlah diode yang diperlukan berdasarkan jenis diode itu sendiri, yaitu nilai tegangan forward-nya. Tegangan yang turun akibat diode D1-D3 adalah karena arus mengalir pada diode. R1 ditambahkan untuk menjaga tegangan pada pin VDD mikrokontroler dari kelebihan nilai VDDmaksimum pada mikrokontroler pada saat beban minimum (biasanya ketika mikrokontroler dalam keadaan reset atau sleep) . Tergantung dari rangkaian lain yang tersambung ke VDD, resistor bisa saja dinaikan nilainya atau mungkin dihilangkan. Dioda D1-D3 harus dipilih berdasarkan kebutuhan saat beban maksimum, biasanya ketika mikrokontroler dijalankan dan mengeluarkan output high, tegangan drop pada D1-D3 harus sekecil mungkin agar memenuhi kebutuhan VDDminimum mikrokontroler.

4.       Power supply alternative menggunakan switching regulator

Pada rangkaian switching regulator, seperti pada Figure 4-1, adalah sebuah converter berbasis inductor yang berfungsi sebagai step-down yang akan menurunkan voltase input. Caranya adalah dengan cara mengatur waktu ON dari MOSFET Q1. Ketika MOSFET berada pada keadaan low atau high resistive state (ON atau OFF, berurutan),  sumber voltase yang lebih tinggi dapat diubah mejadi voltase output yang lebih rendah dengan sangat efisien.

Hubungan antara voltase input dan output dapat ditentukan dengan menyeimbangkan volt-time dari inductor antara dua keadaan high dan low dari Q1.

Maka akan dapat ditentukan untuk MOSFET Q1:

Ketika memilih nilai dari inductor, hal terpenting yang harus diperhatikan adalah memilih nilai yang akan membuat arus maksimum peak-to-peak ripple dari inductor sama dengan sepuluh persen dari arus maksimum beban.

Saat memilih capasitor output, hal yang harus diperhatikan adalah untuk mengatur karakteristik impedansi dari LC filter agar sama dengan resistansi hambatan. Ini akan membuat voltase overshoot menjadi masih wajar ketika beroperasi pada beban maksimum dan ketika tidak ada beban secara tiba-tiba.

Ketika memilih diode untuk D1, pilih komponen dengan tingkat arus yang cukup yang bisa dilewati arus inductor ketika discharge dari pulse cycle (IL).

Digital Interfacing

Pastikan karakteristik dari komponen.

5.       3.3V ke 5V dengan koneksi langsung

Teknik ini dilakukan ketika:

  • Voltase output high VOH dari perangkat 3.3V lebih besar dari voltase input high minimum yang bisa diterima VIH dari perangkat 5V.
  • Voltase output low dari perangkat 3.3V lebih kecil dari voltase input low VIL perangkat 5V.

Sebagai contoh, teknik ini dapat dilakukan pada koneksi antarmuka antara perangkat 3.3V LVCMOS sebagai output ke perangkat 5V TTL sebagai input. 3.3V LVCMOS VOH adalah 3V, lebih besar dari 5V TTL VIH yaitu 2.0V. 3.3V LVCMOS VOL adalah 0.5V, lebih kecil dari 5V TTL VIL yaitu 0.8V.

6.       3.3V ke 5V menggunakan MOSFET translator

Kecepatan switch yang dapat dilakukan memenuhi persamaan berikut:

Jika nilai capasitor tetap, maka jalan untuk mempercepat proses switching dari input adalah dengan memperkecil nilai R1. Dengan menurunkan nilai R1 maka akan meningkatkan waktu switching yaitu meningkatkan arus yang mengalir ketika input 5V dalam keadaan low. Switching ke logic ‘0’ akan lebih cepat dibading switching ke logic ‘1’ karena ON resistansi dari N-channel MOSFET (RDS) akan lebih kecil daripada R1. Selain itu, ketika memilih N-channel FET, pilihlah FET yang mempunyai threshold VGSyang lebih rendah daripada VOH dari output 3.3V.

7.       3.3V ke 5V menggunakan sebuah diode offset

Perhatikan bahwa threshold voltase input untuk high dan low untuk input 5V CMOS kira-kira lebih tinggi dari pada output dari system 3.3V. jadi, jika output dari system 3.3V tidak bisa mengimbangi, maka akan sangat kecil atau tidak ada marjin untuk noise atau untuk nilai toleransi dari komponen. Apa yang dibutuhkan adalah rangkaian yang bisa mengimbangi output dan meningkatkan perbedaan antara voltase output high dan low.

Jika kita membuat rangkaian diode offset seperti gambar di atas, output low terjadi ketika tejadi forward voltage pada D1, biasanya 0.7V, membuat voltase low pada bagian input 5V CMOS yang lebih kecil dari 1.1V sampai 1.2V. Output high akan dipengaruhi oleh resistor pull-up dan diode D2, yang berhubungan dengan supply 3.3V. Hal ini mengakibatkan output high mendekati 0.7V berada di atas supply 3.3V, atau sekitar 4.0V sampai 4.1V, yang mana ini diperbolehkan mengingat nilai threshold 3.5V untuk input 5V CMOS.

Catatan:  agar rangkaian bekerja dengan baik, pull-up resistor harus sangat lebih kecil daripada resistansi pada input 5V CMOS, hal ini untuk mencegah peurunan voltase output yang diakibatkan efek dari resistor divider pada input. Resistor pull-up juga harus cukup besar untuk menjaga arus output bekerja pada output 3.3V sesuai dengan spesifikasi dari komponen.

8.       3.3V ke 5V menggunakan voltage komparator

Prinsip dasar komparator:

  • Ketika voltase pada input inverting (-) lebih besar dari input non-inverting (+), output dari komparator akan sama dengan VSS.
  • Ketika voltase pada input non-inverting (+) lebih besar daripada input inverting (-), maka output komparator akan berada dalam keadaan high.

Menghitung nilai R1 dan R2

Penentuan R1 dan R2 tergantung dari level logic sinyal input. Input inverting harus diatur antara VOL dan VOH dari output 3.3V. Untuk LVCMOS output, voltase dihitung:

Asumsikan bahwa nilai R2 adalah 1k, maka R1 adalah 1.8k. Jika output high maka sama dengan VDD dan low sama dengan VSS.

9.       5V ke 3.3V koneksi langsung

Teknik ini dilakukan jika input 3.3V CMOS mempunyai nilai toleransi 5V.

10.   5V ke 3.3V dengan diode clamp

Beberapa pabrikan melindungi pin I/O dari kelebihan voltase maksimum yang dibolehkan dengan menambahkan clamping diode. Clamping diode ini akan mencegah pin drop dibawah VSS dan drop diatas VDD. Perhatikan arus yang mengalir di rangkaian diode clamp harus sangat kecil, skala mikro ampere. Jika arus yang lewat terlalu besar, dikhawatirkan akan jebol. Ketika resistansi dari output 5V sekitar 10 ohm, resistor tambahan nampaknya perlu untuk ditambahkan untuk membatasi arus yang melewati diode clamp seperti pada Figure 10-1. Akan tetapi akibat dari penambahan resistor tersebut akan mengurangi kecepatan switch karena hal ini berkaitan dengan waktu switch yang dipengaruhi nilai RC dengan nilai capasitansi diperoleh dari pin (CL).

Jika pada chip tidak terdapat rangkaian clamping diode, maka bisa kita tambahkan sendiri.

11.   5V ke 3.3V aktif clamp

Salah satu masalah jika menggunakan diode clamp adalah akan mengalirkan arus ke system power supply 3.3V.  Dalam desain dengan output 5V arus tinggi, dan beban yang ringan pada system power supply 3.3V, ini dapat mengakibatkan meningkatnya voltase dari power supply 3.3V menjadi lebih dari itu. Untuk mencegah hal ini, dapat digantikan dengan transistor yang akan mengalirkan arus yang berlebih ke ground dari pada ke power supply 3.3V. Figure 11-1 memperlihatkan rangkaiannya.

Sambungan base-emitter pada Q1 berfungsi sama seperti diode pada rangkaian diode clamp. Perbedaannya terletak pada hanya sebagian kecil arus emitter yang mengalir ke basis dari transistor yang tersambung ke sambungan 3.3V, sebagian besar arus mengalir ke collector yang akan mengalir selanjutnya dengan aman ke ground. Rasio dari arus basis ke kolektor diistilahkan dengan nilai penguatan dari transistor, biasanya 10-400, tergantung jenis transistor yang digunakan.

12.   5V ke 3.3V pembagi hambatan

Rangkaian resisitor devider sederhana dapat digunakan untuk mengatur output 5V agar dapat disambungkan dengan perangkat yang mempunyai nilai input 3.3V. Perhatikan Figure 12-1.

Biasanya, nilai hambatan sumber, Rs, akan sangat kecil (kurang dari 10 ohm) jadi dapat diabaikan jika R1 yang digunakan sangat lebih besar daripada Rs. Dan di akhir rangkaian input, resistansi beban, RL, sangat besar (lebih dari 500k ohm) jadi R2 dapat diabaika jika nilai R2 yang digunakan jauh lebih kecil dari RL.

Berikut perhitungan antara power dissipation dan waktu transisi agar menghasilkan rangkaian yang efisien. Untuk menjaga agar kebutuhan power dalam system antarmuka ini seminimum mungkin, nilai dari R1 dan R2 harus sebesar mungkin. Disisi lain, capasitansi beban, yang terkombinasi juga dengan nilai kapasitansi bawaan yang tidak diinginkan dari perangkat, Cs, dan capasitansi input dari perangkat 3.3V  , CL, akan berakibat kurang baik untuk waktu rise dan fall dari sinyal input. Waktu rise dan fall dari sinyal tidak dapat diterima dengan baik jika R1 dan R2 terlalu besar.

Jika kita abaikan Rs dan RL, rumus untuk menentuka R1 dan R2 sebagai berikut.

Persamaan untuk menentukan waktu rise dan fall diberikan pada Equation 12-2. Untuk analisa rangkaiannya, persamaan Thevenin digunakan untuk menentukan tegangan pada VA, dan rangkaian resistansi R. Persamaan Thevenin ditentukan sebagai voltase pada rangkaian terbuka (open circuit) dibagi dengan arus short circuit. Persamaan Thevenin, R, ditentukan menjadi 0.66*R1 dan VA , 0.66*Vs yang ditunjukan Figure 12-2 berdasarkan Equation 12-2.

Sebagai contoh, perhatikan berikut.

  • Missal kapasitansi bocor atau yang tidak diinginkan pada rangkaian = 30 pF
  • Kapasitansi beban =  5 pF
  • Rise time maksimum dari 0.3V ke 3V ≤ 1uS
  • Tegangan sumber Vs = 5V

Perhitungan untuk menentukan resistansi maksimum adalah.

13.   3.3V ke 5V level translator

 

14.   3.3V ke 5V analog gain blok

Untuk mengubah tegangan analog dari skala tegangan 3.3V ke skala 5V akan diperlukan rangkaian ini.

15.   3.3V ke 5V analog offset block

16.   5V ke 3.3V active analog attenuator

Untuk mengubah sinyal analog dari skala 5V ke 3.3V.

17.   5V ke 3.3V analog limiter

Ketika akan mengirim sinyal dari skala 5V ke 3.3V, akan mungkin jika menggunakan teknik pelemahan sinyal. Jika sinya yang akan dikirim berada di bawah 5V, maka sinyal tersebut akan diterima di ADC system 3.3V dengan nilai konversi yang lebih besar dari aslinya. Bahayanya jika sinyal tersebut naik ke 5V. Oleh karena itu, diperlukan metode untuk mengatur tegangan ketika ada tegangan berada diluar batas yang dibolehkan. Tiga cara sebagai solusi, yaitu:

  1. Menggunakan diode untuk membatasi tegangan berlebih pada supply 3.3V.
  2.  Menggunakan diode Zener untuk membatasi tegangan sesuai dengan batas yang diinginkan.
  3. Menggunakan op amp dengan diode untuk menghasilkan sebuah precision clamp.

Cara yang paling sederhana untuk membuat overvoltage clamp adalah hamper sama dengan metode antarmuka untuk sinyal digital 5V ke 3.3V. Diperlukan sebuah resistor dan diode untuk melewatkan arus berlebih pada supply 3.3V. Resistor tersebut harus diatur nilainya untuk melindungi diode dan supply 3.3V ketika sinyal analog dalam keadaan yang tidak diinginkan. Jika hambatan dari supply 3.3V sangat kecil, ini dapat mengakibatkan tegangan supply 3.3V bertambah besar. Akan tetapi, jika supply 3.3V mempunyai hambatan yang rendah yang cocok, tipe clamp ini akan memungkinkan sinyal input untuk membawa noise ke supply 3.3V ketika diode aktif dan ketika frekuensinya cukup tinggi, ketika diode tidak aktif maka parasitic capasitansi melewati diode.

Untuk mencegah sinyal input mempengaruhi supply atau untuk membuat input lebih handal dalam melewatkan sinyal dengan larger transient, variasi lain adalah menggunakan diode Zener. Diode Zener lebih lambat daripada fast signal diode yang biasanya digunakan pada rangkaian yang pertama. Akan tetapi, secara umum diode ini lebih handal dan tidak dipengaruhi oleh karakteristik dari power supply yang akan di-clamp. Tegangan yang bisa di-clamp tergantung dari arus yang melewati diode. Hal ini dipengaruhi oleh R1. R1 mungkin tidak diperlukan  jika impedansi output terhadap sumber VINcukup besar.

Rangkaian ini akan meng-clamp sesuai dengan tegangan yang diberikan pada pin non-inverting op-amp.

Karena clamping dilakukan oleh op-amp, maka tidak akan ada efek samping pada power supply.

18.   Driving bipolar transistor

Ketika menggunakan Bipolar transistor atau kita kenal bilpolar junction transistor (BJT), jumlah arus pada basis dan arus penguatan forward (B/hFE) akan menentukan seberapa banyak arus yang dapat dilewatkan transistor. Ketika transistor dikendalikan dengan menggunakan port I/O mikrokontroler, arus yang melewati basis menggunakan tegangan dan arus dari port tersebut (biasanya 20mA). Ketika menggunakan perangkat teknologi 3.3V, harus digunakan sebuah resistor untuk membatasi arus yang masuk ke basis.

Nilai dari RBASE akan tergantung berdasarkan dari tegangan microkontroler. Equation 18-1 menjelaskan bagaimana menghitung RBASE.

Ketika menggunakan BJT untuk meng-ON-kan atau meng-OFF-kan beban yang dikontrol oleh port I/O mikrokontroler, gunakanlah spesifikasi dan margin minimum hFE untuk memastikan perangkat dapat mencapai keadaan saturasi dengan sempurna.

Untuk kedua contoh di atas, akan lebih baik untuk meningkatkan marjin arus basis. Memberikan arus basis dengan 1mA samapi 2mA akan memastikan terjadinya saturasi dengan mengorbankan meningkatnya konsumsi power di input.

19.   Driving N-channel MOSFET transistor

Harus teliti jika akan memilih eksternal N-channel MOSFET untuk digunakan dengan mikrokontroler 3.3V. Tegangan threshold gate MOSFET adalah syarat agar transistor dapat mencapai saturasi. Untuk system 3.3V, pilihlah MOSFET yang mempunyai tingkatan hambatan saat ON pada gate sekitar 3V atau kurang. Sebagai contoh, sebuah FET yang mempunyai spesifikasi 250 uA arus di drain akan mengalir jika diberi tegangan 1V pada gate-source, tidak akan dapat mencukupi, untuk memenuhi sistem yang menginginkan 100mA arus mengalir pada beban dengan member tegangan di gate 3.3V. Ketika akan menghubungkan system 5V ke 3V, harus diperhatikan tegangan threshold gate-source dan karakteristik resistansi saat ON dengan hati-hati yang ditunjukan Figure 19-1. Sedikit saja penurunan tegangan pada gate akan menurunkan arus yang mengalir pada drain secara signifikan.

Komponen yang mempunyai tegangan threshold rendah biasanya terdapat pada MOSFET dengan tegangan drain-source dibawah 30V. MOSFET yang mempunyai tegangan drain-source di atas 30V biasanya mempunyai tegangan threshold gate yang besar (VT).

Seperti apa yang ditunjukan pada Table 19-1, tegangan threshold untuk 30V ini, N-Channel MOSFET switch adalah 0.6V. Nilai resistansi untuk MOSFET ini adalah 35mΩ jika 2.8V diberikan pada gate, kesimpulannya, komponen ini bisa digunakan untuk aplikasi 3.3V

Untuk spesifikasi IRF7201, tegangan threshold pada gate bernilai minimum 1.0V. Ini tidak berarti komponen dapat digunakan untuk mengalirkan arus hanya dengan memberikan tegangan 1.0V pada gate-source karena disana tidak ada spesifikasi RDS(ON) untuk VGS(th) dibawah 4.5V. Komponen ini tidak dianjurkan untuk aplikasi pada system 3.3V yang mempunyai kebutuhan switch resistance rendah akan tetapi bisa digunakan untuk aplikasi pada system 5V.

______________________________________________________________________________________________

Daftar Pustaka

webhome.csc.uvic.ca/~mcheng/466/spring.2011/handouts/Technical%20References/3V%20Tips%20%27n%20Tricks,%2041285A.pdf

8 Responses to Tegangan Operasi Rangkaian Elektronika 3V dari/ke 5V

  1. haldis says:

    plz help me dunk mas. Sy pny aerator udara pake baterai besar tuk aerator darurat di aquarium. Aerator tsb bs nyala dgn 1 atau 2 baterai besar. Yg mw sy tanyai bgm aki 6v bekas lampu darurat sy pake di aerator tsb.. Mhn blz’y..trims

  2. iqmal says:

    mas pernah coba naikan tegangan dari 3.3v ke 5v pakai ic gag?
    contoh ic lm3351

  3. Kurniawan Dony says:

    Mas kalo 5v ke 3.3v itu pake ic regulator apa?

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

Follow

Get every new post delivered to your Inbox.