Energia para estações rádio base de telecom: o transformador isolador dentro do retificador −48V

Este artigo foi escrito para os engenheiros de energia, de componentes magnéticos e de compras que trabalham com sistemas de energia de estações rádio base e centrais (central office) de telecomunicações. A energia de telecom tem uma característica rara em outras aplicações: a autonomia de backup já está escrita de antemão na regulamentação e nos requisitos do setor — não é o projetista quem escolhe. Esse "trilho de requisito" claramente traçado determina de ponta a ponta a forma de todo o sistema de energia em corrente contínua de −48 V e também coloca um transformador isolador de alta frequência dentro de cada retificador (rectifier). O artigo parte desse trilho de requisito, abre o retificador de −48 V e explica por que esse transformador isolador é exatamente o lugar em que o fio com isolamento triplo (TIW, Triple Insulated Wire) se encaixa. Os valores dos produtos DAH JIN são sempre "conforme o documento de aprovação".

1. A autonomia de backup é um "trilho de requisito" claro

Na maioria das aplicações é preciso primeiro estimar "quanto tempo é necessário aguentar"; em telecom, não — a autonomia de backup costuma ser fixada de antemão pelo órgão regulador ou pelos critérios de projeto da operadora, e é um requisito enfrentado pelo lado do cliente (a operadora de telecom), não algo que o fornecedor do equipamento ou do fio possa alterar. Alguns exemplos públicos mostram o quanto esse trilho de requisito é claro:

• A FCC dos Estados Unidos exigiu, nas regras "Ensuring Continuity of 911 Communications" de 2015, que os provedores de serviço de voz residencial fixo permitissem aos assinantes adquirir uma opção com 8 horas de backup em standby; depois a opção foi ampliada para 24 horas (a partir de 2019-02-13).
• Conforme a importância do nó, as metas de projeto dos sites de backbone são mais longas: uma central (central office) que atende diretamente um centro de atendimento de emergência (PSAP) costuma ter como meta 24 horas em plena carga, e os sites críticos que abrigam um selective router, 72 horas.
• As estações rádio base móveis têm faixas típicas do setor que variam com o local (cerca de 2–4 horas em área urbana, 4–6 horas em área suburbana e 6–8 horas em sites remotos).

O ponto não é qual número vale, e sim este: essas horas são requisitos rígidos, e o meio de atingi-las é praticamente fixo — retificadores convertem a rede AC em −48 V DC, alimentando a carga e ao mesmo tempo mantendo um banco de baterias totalmente carregado; quando a rede falha, a bateria sustenta o site pelas horas exigidas. Todo o sistema de energia de −48 V existe, em essência, para atender a esse trilho de requisito de autonomia. Esse é também o ponto de partida da pergunta "onde fica o transformador isolador?". (As autonomias de backup são fatos regulatórios e do setor do lado do cliente, não um compromisso de prazo nem uma garantia de produto da DAH JIN.)

2. O interior do retificador −48V: PFC → isolação de alta frequência → retificação e filtragem

−48 V é o padrão de fato da alimentação DC em telecom: a ETSI EN 300 132-2 é a norma que define a interface de entrada DC de −48 V (interface "A") para equipamentos ICT/telecom, com tensão nominal de −48 V (alguns sistemas usam −54 V). Essa convenção de tensão negativa tem raízes históricas (quatro baterias de 12 V em série, e o polo positivo aterrado ajuda a reduzir a corrosão dos cabos de cobre). O papel do retificador é converter a rede AC nesse barramento de −48 V/−54 V rigorosamente regulado — como descreve um produto retificador do setor, "converter qualquer fonte AC na corrente contínua de −48 V exigida pelas estações rádio base sem fio".

Um retificador chaveado (switch-mode) pode ser decomposto em várias etapas, e o que de fato separa o lado AC do lado de −48 V é um transformador isolador de alta frequência no meio delas:

• Etapa de entrada AC-DC (PFC): a correção do fator de potência retifica a rede e a eleva a um barramento DC de alta tensão.
• Etapa inversora de alta frequência: chaveia esse DC de alta tensão em AC de alta frequência e o envia ao transformador isolador.
• Transformador isolador: faz a isolação elétrica entre primário e secundário — é a barreira de segurança que separa a rede perigosa do lado de −48 V (ligado às baterias, à distribuição e a tudo que a equipe de manutenção pode tocar).
• Retificação e filtragem secundárias: retificam e filtram novamente o AC de alta frequência, resultando na saída regulada de −48 V.

Projetos de retificadores de terceiros confirmam esse esqueleto: o material de treinamento da TI sobre retificador de telecom, por exemplo, mostra 1000 W de entrada AC universal para 48 V DC usando PFC intercalado com um DC/DC em ponte completa com deslocamento de fase (phase-shifted full bridge); a literatura de patentes descreve o retificador AC-DC da mesma forma — "o PFC gera DC de alta tensão → o inversor gera AC de alta frequência → a energia passa pelo transformador isolador → é retificada e filtrada para alimentar o barramento de baterias de −48 V". Sejam quais forem os detalhes da topologia, entre primário e secundário está esse transformador isolador, e ele precisa atingir o grau de isolação reforçada (Reinforced) — porque o que ele separa é a rede capaz de dar choque em uma pessoa e o lado de −48 V que alimenta o site inteiro.

3. O transformador isolador: o lugar em que o fio com isolamento triplo (TIW) se encaixa

Para levar esse transformador isolador à isolação reforçada, o projeto tem dois caminhos: um é acrescentar "fita de margem (margin tape) + camadas de barreira", o que consome largura do carretel (bobbin) e comprime o espaço de enrolamento; o outro é usar diretamente o fio com isolamento triplo. É exatamente aí que está o valor do fio com isolamento triplo — ele traz em si três camadas de isolamento independentes e, com um único fio, obtém a isolação reforçada no enrolamento, de modo que a linha de fuga (creepage) e a distância de isolamento (clearance) entre enrolamentos praticamente deixam de precisar ser consideradas; o enrolamento pode ser bobinado até a borda e o transformador pode ser feito menor e mais denso. A prática de projeto do setor diz isso diretamente: ao mudar para o fio com isolamento triplo é possível "evitar as fitas de margem", e "as especificações de linha de fuga e distância de isolamento entre enrolamentos deixam de ser aplicáveis".

Esse ponto tem valor especial nos retificadores de telecom. Os módulos retificadores prezam alta densidade de potência e troca a quente (hot-swap) (os módulos retificadores de −48 V do setor atingem eficiência de pico de cerca de 96% e suportam hot insertion); encolher o transformador isolador permite colocar mais potência no mesmo módulo ou tornar o módulo mais fino. Por isso esse transformador isolador do retificador de −48 V é o ponto em que o fio com isolamento triplo realmente se encaixa — diferentemente de algumas aplicações em que "o enrolamento de potência principal não usa TIW de fio único", o que se busca aqui é justamente o seu ponto forte: um único fio cruzando a barreira de alta tensão e obtendo a isolação reforçada. Quanto à base normativa de segurança correspondente, a IEC 62368-1 Annex J é o anexo que trata do "fio para enrolamento isolado usado como isolação (reforçada)"; o detalhe das cláusulas fica nesse nível, e na prática vale o documento de aprovação.

A tabela abaixo relaciona o que essa etapa exige com o que o fio com isolamento triplo oferece (valores DAH JIN sempre conforme o documento de aprovação):

• Isolação reforçada primário/secundário (rede ↔ lado de −48 V) — O que o fio com isolamento triplo (TIW) oferece：Três camadas de isolamento independentes; um único fio atinge a isolação Reinforced；Correspondência DAH JIN (conforme o documento de aprovação)：Os quatro tipos constam da avaliação IEC 62368-1 Annex J, Reinforced; condições conforme o documento de aprovação
• Economia de linha de fuga/distância de isolamento, enrolamento até a borda, miniaturização do transformador — O que o fio com isolamento triplo (TIW) oferece：Linha de fuga/distância de isolamento entre enrolamentos praticamente não aplicáveis；Correspondência DAH JIN (conforme o documento de aprovação)：Diâmetro 0.10–1.00 mm (TLW-B7S é um condutor encordoado de 7 fios, fio individual 0.10–0.30 mm)
• Isolação estável e certificável em operação de alta frequência — O que o fio com isolamento triplo (TIW) oferece：Avaliação de isolação reforçada nos sistemas de reconhecimento UL/VDE；Correspondência DAH JIN (conforme o documento de aprovação)：Classe térmica 130(B); TLW-F é Class F (155 °C) e, adicionalmente, UL 2353 Reinforced
• Uma classe térmica compatível com a temperatura do ponto quente — O que o fio com isolamento triplo (TIW) oferece：Classes de resistência térmica do material (B/F)；Correspondência DAH JIN (conforme o documento de aprovação)：Na adoção, o documento de aprovação define o modelo e a faixa de diâmetros

4. Condições de primeira mão citáveis da DAH JIN e ponto de partida da seleção (conforme o documento de aprovação)

Ao selecionar fio com isolamento triplo para esse transformador isolador de retificador, o que a DAH JIN pode oferecer é um conjunto de condições de certificação fixas, não a afirmação de "já estar aplicado em determinado retificador". Os quatro tipos que a DAH JIN oferece ao mercado são TLW-B, TLW-BB, TLW-B7S e TLW-F; todos constam do escopo de avaliação IEC 62368-1 Annex J do VDE 40008834 Anlage 200 e são avaliados no grau reforçado (Reinforced); a tensão de trabalho, a tensão de pico e a frequência de ensaio específicas são sempre conforme o documento de aprovação e o certificado VDE, e não são repetidas aqui. Diâmetro 0.10–1.00 mm (TLW-B7S é um condutor encordoado de 7 fios, fio individual 0.10–0.30 mm), classe térmica 130(B); TLW-F é Class F (155 °C) e, adicionalmente, UL 2353 Reinforced. Se equipamentos adjacentes ao site envolverem requisitos de isolação de âmbito médico, as condições do Annex L (IEC 60601-1) para 2 MOOP/2 MOPP estão vinculadas apenas a TLW-BB e TLW-B7S, com valores igualmente conforme o documento de aprovação.

Atenção: a DAH JIN é fabricante (não trading), com fábrica própria em Guiren, Tainan, Taiwan; o local de fabricação indicado no arquivo UL é essa fábrica (fabricado em Taiwan). Na adoção, o documento de aprovação define o modelo e a faixa de diâmetros; se for necessário o registro como sistema de isolamento elétrico (EIS) (DJ-130, UL E318181, System Class 130(B), componentes TLW-BB e TLW-B7S), é exigido adicionalmente um Authorization Letter (carta de autorização).

O primeiro passo da seleção é definir a classe térmica e o tipo: para a divisão e a aplicabilidade entre a classe B (130 °C) e a classe F (155 °C), veja o guia de seleção de fio com isolamento triplo; e como "classe térmica do fio" e "classe térmica do sistema de isolamento/produto final" pertencem a registros distintos que não se substituem, veja Classe térmica do fio e classe térmica do sistema de isolamento. Levante a tensão de trabalho real, o pico, a frequência de ensaio e a temperatura do ponto quente do transformador isolador do retificador e confronte-os com as condições do Annex J registradas no documento de aprovação: dentro da faixa, o fio pode ser selecionado; se qualquer item exceder, é necessária uma avaliação separada.