Teknik Switching Di Teknologi Fast Charging

Seiring dengan meningkatnya penggunaan perangkat elektronik portabel seperti ponsel pintar, kebutuhan akan teknologi pengisian daya yang cepat dan efisien menjadi semakin mendesak. Fast charging menjadi solusi yang banyak diadopsi untuk mengurangi waktu pengisian daya baterai, sekaligus menjaga performa dan keamanan perangkat. Di balik teknologi ini, teknik switching memainkan peran sentral dalam mengatur aliran daya melalui konverter dan mengoptimalkan efisiensi sistem.

Teknik switching modern seperti Pulse Width Modulation (PWM), Zero Voltage Switching (ZVS), dan Zero Current Switching (ZCS) telah dikembangkan untuk meminimalkan rugi daya, mengurangi panas, serta mendukung arsitektur pengisian daya bertegangan tinggi. Misalnya, penggunaan metode soft switching dalam desain konverter resonan terbukti dapat meningkatkan efisiensi hingga 98%, sekaligus mengurangi kebutuhan komponen pasif besar seperti kapasitor elektrolitik.

Dalam aplikasi pengisian ponsel, topologi konverter seperti buck, boost, dan resonant converter sering digunakan karena kemampuan mereka dalam menangani arus besar dan tegangan tinggi secara efisien . Selain itu, pendekatan berbasis kontrol cerdas, seperti penggunaan logika fuzzy yang mengatur suhu dan tegangan selama pengisian, telah diteliti untuk mencegah overcharging dan memperpanjang usia baterai.

Dengan meningkatnya adopsi teknologi pengisian cepat pada perangkat ponsel, pemahaman mendalam mengenai teknik switching yang digunakan menjadi sangat penting. Artikel ini akan membahas berbagai pendekatan teknik switching dalam sistem fast charging, dengan fokus pada efisiensi, keamanan, dan keandalannya dalam pengisian daya ponsel.

Fast Charging

Fast charging adalah teknologi pengisian baterai yang memungkinkan proses pengisian berlangsung jauh lebih cepat dibandingkan dengan metode konvensional. Secara teknis, fast charging memanfaatkan peningkatan arus dan/atau tegangan untuk mentransfer energi dalam jumlah besar ke baterai dalam waktu yang lebih singkat. Hal ini menjadi sangat penting mengingat kebutuhan pengguna perangkat seluler yang menginginkan waktu pengisian yang efisien tanpa mengorbankan keamanan dan umur baterai. Menurut standar USB Power Delivery (USB-PD), pengisian cepat dapat menyediakan daya mulai dari 15 watt hingga lebih dari 100 watt, tergantung pada kompatibilitas perangkat dan adaptor pengisian yang digunakan.

Teknologi fast charging memiliki karakteristik khusus yang membedakannya dari pengisian biasa. Sistem ini biasanya menggunakan tegangan yang lebih tinggi, bisa mencapai hingga 20 volt atau lebih, serta arus yang lebih besar, yang dapat mencapai antara 3 hingga 5 ampere. Karena peningkatan daya yang signifikan tersebut, manajemen termal menjadi aspek krusial dalam menjaga suhu perangkat dan baterai agar tetap aman selama pengisian. Selain itu, fast charging juga memanfaatkan komunikasi dua arah antara adaptor dan perangkat melalui protokol seperti USB-PD, sehingga kedua perangkat dapat menyesuaikan profil daya yang paling sesuai dengan kondisi baterai dan keamanan. Penggunaan teknik switching yang efisien memungkinkan konverter daya beroperasi secara optimal dengan mengatur output tegangan dan arus secara dinamis sesuai kebutuhan perangkat.

Prinsip kerja fast charging diawali dengan proses deteksi perangkat oleh adaptor pengisian. Adaptor akan mengidentifikasi kemampuan perangkat melalui jalur data, misalnya USB-PD, dan kemudian melakukan negosiasi daya untuk menentukan kombinasi tegangan dan arus yang aman dan efisien bagi baterai. Setelah itu, adaptor menggunakan teknik switching seperti Pulse Width Modulation (PWM) atau Zero Voltage Switching (ZVS) untuk menghasilkan output daya yang sesuai dengan permintaan. Selama proses pengisian berlangsung, baik perangkat maupun adaptor secara terus-menerus memonitor parameter seperti suhu, tegangan, dan arus untuk menjaga proses pengisian tetap dalam batas aman dan mengoptimalkan performa.

Beberapa protokol fast charging yang saat ini banyak digunakan di perangkat seluler antara lain Qualcomm Quick Charge, USB Power Delivery (USB-PD), Oppo VOOC, serta Xiaomi HyperCharge dan Huawei SuperCharge. Qualcomm Quick Charge menawarkan kemampuan pengisian dengan tegangan variabel dari 3,6 hingga 20 volt dan daya hingga 100 watt, sedangkan USB-PD sebagai standar terbuka memberikan fleksibilitas tinggi dan digunakan secara luas pada perangkat modern. Teknologi seperti Oppo VOOC dan OnePlus Warp lebih menekankan penggunaan arus besar dengan tegangan rendah guna mengurangi panas yang dihasilkan selama pengisian, sementara Xiaomi HyperCharge dan Huawei SuperCharge menggabungkan tegangan dan arus tinggi untuk mencapai daya pengisian di atas 100 watt.

Dalam keseluruhan sistem fast charging, teknik switching memegang peran yang sangat penting. Switching memungkinkan konversi daya yang efisien dengan presisi tinggi, menjaga agar tegangan dan arus yang disuplai sesuai dengan permintaan perangkat. Dengan teknik switching yang tepat, rugi daya dapat diminimalkan sehingga efisiensi pengisian meningkat, serta panas yang dihasilkan berkurang sehingga sistem dapat menjaga suhu dalam batas aman. Integrasi switching yang baik memungkinkan adaptor pengisian daya mendukung berbagai tipe perangkat dengan beragam kebutuhan daya secara otomatis dan responsif.

Pulse Width Modulation (PWM)

Pulse Width Modulation (PWM) adalah teknik pengendalian sinyal digital dengan mengubah durasi pulsa “ON” dalam suatu siklus tertentu sehingga tegangan rata-rata yang diterima oleh beban dapat diatur. PWM sering digunakan dalam rangkaian konverter daya DC-DC untuk mengontrol daya yang disuplai ke baterai dengan efisien tanpa membuang energi dalam bentuk panas.

PWM bekerja dengan menghasilkan pulsa digital yang memiliki periode tetap tetapi durasi pulsa (waktu “ON”) dapat bervariasi. Besarnya tegangan rata-rata output dapat dihitung dengan persamaan:

Vout ​= D × Vin​

di mana:

Vout​ = tegangan output rata-rata,

D = duty cycle (persentase waktu pulsa “ON”),

Vin​ = tegangan input.

Misalnya, jika duty cycle adalah 50%, maka tegangan output rata-rata adalah setengah dari tegangan input.

Pada teknologi fast charging ponsel, PWM digunakan untuk mengatur tegangan dan arus yang masuk ke baterai melalui konverter buck atau boost. Dengan mengubah duty cycle PWM, sistem pengisian dapat menyesuaikan aliran daya sehingga baterai dapat diisi dengan cepat namun tetap aman, menghindari overcharging dan panas berlebih.

Penggunaan PWM memungkinkan pengontrol pengisian daya melakukan switching transistor dengan frekuensi tinggi, yang meningkatkan efisiensi konversi daya sekaligus mengurangi ukuran dan berat adaptor charger.

Gambar 1. Contoh sinyal PWM dengan duty cycle berbeda.

Zero Voltage Switching (ZVS)

Zero Voltage Switching (ZVS) merupakan teknik switching daya yang tergolong dalam metode soft switching. Teknik ini digunakan untuk mengurangi rugi-rugi daya yang timbul saat proses switching transistor daya (misalnya MOSFET atau IGBT). Dalam metode konvensional (hard switching), switching dilakukan saat tegangan atau arus pada saklar masih tinggi, yang menyebabkan rugi daya tinggi dan efek termal berlebih.

ZVS bekerja dengan memastikan bahwa tegangan pada saklar adalah nol saat proses turn-on, sehingga menghilangkan energi yang biasanya hilang akibat switching saat tegangan masih ada. Dengan demikian, ZVS meningkatkan efisiensi daya dan mengurangi radiasi elektromagnetik (EMI).

Teknik ZVS memanfaatkan elemen resonan seperti induktor dan kapasitor untuk membentuk rangkaian resonansi yang mengatur tegangan dan arus pada titik switching. Dalam kondisi ideal, tegangan pada saklar akan turun menjadi nol sebelum MOSFET dinyalakan (turned on), sehingga saat saklar aktif, tidak ada rugi switching yang signifikan.

Gambar 2. Desain Sirkuit ZVS

Gambar di atas menunjukkan sebuah rangkaian konverter resonan berbasis Zero Voltage Switching (ZVS) yang umum digunakan dalam sistem power supply efisiensi tinggi seperti teknologi fast charging untuk perangkat ponsel. Teknik ZVS digunakan untuk meminimalkan rugi daya saat switching transistor dan meningkatkan efisiensi konversi energi secara keseluruhan.

Pada bagian input, sumber tegangan DC (ditandai sebagai VCC) memberikan catu daya utama bagi sistem. Tegangan ini kemudian diatur oleh dua saklar daya, yaitu transistor Q1 dan Q2, yang disusun dalam konfigurasi half-bridge. Kedua transistor ini bekerja secara bergantian: saat Q1 aktif, Q2 dalam kondisi mati, dan sebaliknya. Saklar ini beroperasi pada frekuensi tinggi untuk menghasilkan sinyal switching yang dibutuhkan oleh konverter.

Untuk menjamin switching yang efisien dan mengurangi rugi-rugi daya, digunakan teknik Zero Voltage Switching. Dalam pendekatan ini, transistor dinyalakan hanya ketika tegangan di ujung-ujungnya mendekati nol. Dengan demikian, kehilangan daya akibat tegangan dan arus yang bertemu saat switching (yang umum pada hard switching) dapat dieliminasi. Rangkaian resonansi yang dibentuk oleh induktor (L1) dan kapasitor (C1) memungkinkan terjadinya kondisi resonan, yang menurunkan tegangan saklar ke nol tepat sebelum transistor menyala.

Kehadiran dioda D1 dan D2 penting dalam rangkaian ini sebagai jalur arus balik (freewheeling) ketika salah satu transistor mati, sehingga mencegah kerusakan akibat lonjakan tegangan induktif. Selain itu, dioda D3 dan D4 bersama resistor R3 dan R4 merupakan bagian dari rangkaian kendali gate yang membantu memastikan transistor Q1 dan Q2 bekerja secara stabil dan tidak aktif bersamaan, yang dapat menyebabkan hubungan pendek (short circuit).

Pada sisi keluaran, terdapat transformator (T1) yang berfungsi sebagai isolator antara sisi input dan output serta sebagai pengubah tegangan sesuai kebutuhan beban, dalam hal ini baterai ponsel. Transformator ini juga memfasilitasi penggunaan teknik fast charging dengan tegangan variabel tergantung pada protokol komunikasi seperti USB Power Delivery.

Rangkaian ini ideal untuk sistem fast charging karena mendukung pengoperasian daya tinggi dengan efisiensi maksimal. Dengan switching pada frekuensi tinggi yang dilakukan secara lembut (soft switching), sistem ini menghasilkan panas lebih rendah, ukuran adaptor yang lebih kecil, serta keandalan yang lebih tinggi dibandingkan sistem konvensional.

Dalam aplikasi fast charging, ZVS memungkinkan penggunaan switching pada frekuensi tinggi (hingga ratusan kHz) tanpa menyebabkan peningkatan suhu yang signifikan. Hal ini penting karena pengisian cepat memerlukan arus tinggi dan kontrol yang presisi terhadap daya input.

Beberapa sistem fast charging menggunakan konverter resonan dengan topologi flyback atau LLC (Induktor-Induktor-Kapasitor) untuk memanfaatkan kemampuan ZVS. Salah satu contoh nyata adalah pengontrol iW9801 dari Renesas yang mendukung switching berbasis ZVS secara digital untuk sistem pengisian cepat hingga 100W.

Keuntungan penerapan ZVS dalam pengisian daya ponsel antara lain:

• Efisiensi tinggi: mengurangi rugi switching.
• Kompak: memungkinkan desain adaptor kecil karena pengurangan ukuran pendingin.
• Rendah EMI: karena switching dilakukan pada tegangan nol, noise berkurang.
• Daya besar: mendukung sistem hingga 100W untuk fast charging modern.

Zero Curren Switching (ZCS)

Zero Current Switching (ZCS) adalah salah satu teknik soft switching di mana saklar daya (seperti MOSFET) hanya dinyalakan atau dimatikan saat arus yang mengalir melaluinya mencapai nol. Tujuan utamanya adalah untuk mengurangi rugi daya switching dan menghindari tegangan lonjakan akibat perubahan arus yang tiba-tiba.

Berbeda dengan Zero Voltage Switching (ZVS) yang meminimalkan rugi switching dengan menyalakan saklar saat tegangan = 0, ZCS menargetkan kondisi saat arus = 0. ZCS biasanya digunakan pada konverter resonan atau aplikasi arus tinggi di mana pengendalian arus lebih penting daripada tegangan.

"Zero-current switching techniques offer significant reductions in switching losses and EMI by ensuring that the switch operates only at natural zero-current instants”

Dalam konteks fast charging untuk ponsel, ZCS banyak diaplikasikan pada konverter resonan atau konverter flyback yang beroperasi pada frekuensi tinggi. 

Keuntungan penerapan ZCS meliputi:

• Pengurangan rugi switching, sehingga meningkatkan efisiensi pengisian daya.
• Pengurangan suhu pada komponen switching, membuat adaptor lebih ringkas tanpa pendingin besar.
• Perpanjangan umur komponen daya.

ZCS juga memungkinkan implementasi pengisian cepat pada daya menengah hingga tinggi (>30W) tanpa memerlukan heatsink besar.

Beberapa sistem pengisian daya cepat, seperti sistem berbasis resonant converter, menggabungkan ZCS dan ZVS untuk mencapai efisiensi optimal.

Gambar 3. Diagram prinsip kerja ZCS

Penjelasan diagram:

Pada titik A, arus mencapai nol, kemudian saklar dimatikan.

Antara A dan B, tidak ada arus atau tegangan tinggi, sehingga rugi switching mendekati nol.

Hal ini mengurangi rugi switching dan menghindari voltage spikes.

Konverter DC-DC: Buck, Boost, dan Buck-Boost

Konverter DC-DC adalah rangkaian elektronik yang mengubah satu tingkat tegangan DC menjadi tegangan DC lain. Dalam konteks teknologi fast charging pada ponsel, konverter ini digunakan untuk menyesuaikan tegangan dan arus agar sesuai dengan spesifikasi baterai yang diisi, sekaligus menjaga efisiensi dan keamanan pengisian daya.

Jenis konverter DC-DC yang umum digunakan meliputi:

Buck Converter (step-down): 

Buck converter digunakan untuk mengubah tegangan masukan yang lebih tinggi menjadi tegangan keluaran yang lebih rendah. Dalam fast charging, buck converter sering digunakan untuk mengubah tegangan 9V, 12V, atau bahkan 20V dari adaptor USB PD menjadi 4.2V atau 5V yang sesuai untuk baterai lithium-ion.

Cara Kerja: Sebuah saklar (biasanya MOSFET) mengatur aliran energi ke induktor, yang kemudian dihaluskan oleh kapasitor output.

Boost Converter (step-up): 

Boost converter digunakan ketika tegangan input lebih rendah dari yang dibutuhkan oleh beban. Dalam sistem fast charging ponsel, boost converter jarang digunakan di sisi adaptor, namun sering ditemukan di perangkat portabel untuk meningkatkan tegangan baterai (misalnya 3.7V) menjadi 5V untuk port USB output (misalnya fitur reverse charging).

Cara Kerja: Arus disimpan dalam induktor ketika saklar tertutup, lalu dilepaskan ke beban saat saklar terbuka dengan tegangan yang ditingkatkan.

Buck-Boost Converter: 

Buck-Boost converter digunakan ketika tegangan input bisa lebih tinggi atau lebih rendah dari tegangan output. Hal ini membuatnya fleksibel dalam menangani berbagai kondisi pengisian, seperti tegangan input yang fluktuatif dari adaptor non-standar atau penggunaan pengisian dari sumber energi alternatif (misalnya power bank dengan konversi adaptif.

Konverter buck umumnya digunakan dalam adaptor fast charging untuk ponsel. Konverter boost bisa ditemukan pada perangkat yang mendukung pengisian dua arah atau pengisian super cepat dengan tegangan lebih tinggi. Penggunaan teknik switching seperti PWM dan ZVS dalam konverter ini memungkinkan efisiensi tinggi dan pengurangan ukuran komponen.

Gambar 3. Konfigurasi dasar buck, boost, dan buck-boost converter

Gambar yang ditampilkan merupakan diagram rangkaian dasar dari Boost Converter, yaitu salah satu jenis konverter DC-DC yang berfungsi untuk meningkatkan tegangan input menjadi tegangan output yang lebih tinggi. Rangkaian ini banyak digunakan dalam aplikasi pengisian daya perangkat elektronik, termasuk pada sistem fast charging ponsel yang membutuhkan efisiensi konversi tinggi.

Dalam gambar tersebut, sumber tegangan input VIN​ terhubung ke sebuah induktor (L) yang berada di jalur utama arus. Induktor ini bertindak sebagai elemen penyimpan energi dalam bentuk medan magnet saat arus listrik mengalir melaluinya. Sebuah saklar (S), yang biasanya berupa transistor MOSFET, digunakan untuk mengontrol aliran arus dalam rangkaian ini. Ketika saklar ditutup, arus dari sumber mengalir melalui induktor ke ground, sehingga energi tersimpan di induktor.

Begitu saklar dibuka, energi yang tersimpan di induktor tidak bisa berhenti secara tiba-tiba. Sebaliknya, medan magnet di induktor runtuh dan menghasilkan tegangan yang berpolaritas sedemikian rupa sehingga menambah tegangan dari sumber. Arus yang dihasilkan kemudian mengalir melalui dioda (D) ke arah kapasitor output, yang terhubung ke beban. Dioda berfungsi untuk mencegah arus kembali ke arah induktor ketika saklar terbuka. Kombinasi tegangan dari sumber dan dari induktor inilah yang menyebabkan tegangan output VOUT​ menjadi lebih besar dari tegangan input VIN​.

Kapasitor output dalam rangkaian berperan sebagai penyaring, meredam fluktuasi tegangan yang dihasilkan selama proses switching, dan memberikan tegangan DC yang stabil ke beban. Dengan demikian, Boost Converter mampu menyediakan tegangan lebih tinggi secara efisien, tergantung pada nilai duty cycle dari sinyal PWM yang mengendalikan saklar.

Rangkaian seperti ini sering digunakan dalam aplikasi pengisian daya ponsel yang melibatkan fitur-fitur seperti reverse charging atau pengisian cepat dengan tegangan tinggi. Efisiensi dan fleksibilitas dari Boost Converter menjadikannya pilihan utama dalam berbagai sistem manajemen daya modern.

Integrasi Switching Dalam Sistem Fast Charging

Proses fast charging diawali dengan komunikasi antara ponsel dan adaptor menggunakan protokol seperti USB-PD atau Qualcomm Quick Charge. Perangkat akan menginformasikan batas maksimal tegangan dan arus yang bisa diterima [1].Adaptor menggunakan teknik switching frekuensi tinggi (biasanya >100 kHz) dengan ZVS/ZCS untuk mengurangi rugi daya dan panas [9]. Efisiensi tinggi memungkinkan adaptor yang lebih kecil dan ringan.

Tegangan output dari adaptor (misalnya 9V atau 12V) akan diturunkan ke level yang sesuai untuk baterai (sekitar 4.2V) menggunakan buck converter berbasis PWM/ZCS di dalam perangkat [4]. Switching controller (seperti PWM controller atau digital controller berbasis MCU/PMIC) juga bertugas untuk:

• Memantau suhu dan arus agar tidak melebihi ambang batas.
• Menurunkan duty cycle jika terjadi overheating.
• Menghentikan pengisian saat baterai sudah mencapai kapasitas maksimal.

Beberapa sistem mengintegrasikan algoritma logika fuzzy untuk pengaturan tegangan adaptif, yang meningkatkan efisiensi pengisian dan memperpanjang umur baterai.

Produk seperti Renesas iW9801 mengintegrasikan teknik switching ZVS secara digital untuk mendukung fast charging hingga 100W dengan efisiensi tinggi. Teknologi ini memungkinkan switching lembut pada sisi primer (flyback converter), serta kontrol dinamis terhadap arus output.

DAFTAR REFERENSI

Y. Zeng et al., “Extreme fast charging of batteries using thermal switching and self-heating,” 2022, [Online]. Available: http://arxiv.org/abs/2205.06762

A. Borisevich, “Series Resonant Matrix Converter Topology for EV DC Fast Charging,” pp. 1–12, 2019, [Online]. Available: http://arxiv.org/abs/1912.13241

N. Deb, R. Singh, R. R. Brooks, and K. Bai, “A review of extremely fast charging stations for electric vehicles,” Energies, vol. 14, no. 22, 2021, doi: 10.3390/en14227566.

A. Anshori, B. Siswojo, and R. N. Hasanah, “Teknik Fast Charging Baterai Lithium-Ion Menggunakan Logika Fuzzy,” J. Ecotipe (Electronic, Control. Telecommun. Information, Power Eng., vol. 7, no. 1, pp. 26–37, 2020, doi: 10.33019/ecotipe.v7i1.1384.

B. Saunders and M. Slonske, “USB 3 . 0 Promoter Group Announces Availability of USB Power Delivery Specification,” pp. 0–1, 2012.

Corbion, “Corbion 2023 annual report,” vol. 1810, 2023, [Online]. Available: https://annualreport.corbion.com/FbContent.ashx/pub_1007/downloads/v240311141316/Corbion_annual_report_2023.pdf

M. H. Rashid, Power electronics and applications. 2014. doi: 10.1109/pedstc.2014.6799390.

D. C. P. Digital and Z. V. S. Flyback, “AC/DC Primary-Side Digital ZVS Flyback Controller 1 Description,” no. Mmc, pp. 1–7, 2022.

C. A. Canesin, “Novel zero-current-switching pwm converters,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 44, no. 3, pp. 372–381, 1997, doi: 10.1109/41.585835.

Bagas Karisma Putra 

Departement of Electrical Engineering

State University of Surabaya

Surabaya, Indonesia

bagas.23086@mhs.unesa.ac.id