แหล่งจ่ายไฟศูนย์ข้อมูล／เซิร์ฟเวอร์ AI: เหตุใดภาคกำลังหลักจึงใช้แบบแพลนาร์และลวดลิตซ์ และลวดฉนวนสามชั้นใช้ในภาคใด

แหล่งจ่ายไฟ (PSU) ของเซิร์ฟเวอร์ AI และศูนย์ข้อมูลมีกำลังไฟสูงขึ้นเรื่อย ๆ และฝ่ายออกแบบมักถูกถามในรูปแบบว่า "ลวดฉนวนสามชั้น (TIW) รุ่นนี้ใช้ในเซิร์ฟเวอร์ AI ได้ไหม" คำถามแบบนี้เหมารวม PSU ทั้งเครื่องเข้าด้วยกัน แต่คำตอบที่แท้จริงต้องแยกเป็นภาค: เส้นทางกำลังหลัก (PFC, LLC หลัก, ตัวเหนี่ยวนำเรโซแนนซ์) ใช้หม้อแปลงแบบแพลนาร์ (planar) และลวดลิตซ์ (litz) ไม่ใช่พื้นที่ของ TIW เส้นเดี่ยวชนิดใด ๆ ส่วนตำแหน่งของลวดฉนวนสามชั้นอยู่ที่หม้อแปลงแยกวงจรขนาดเล็กของแหล่งจ่ายไฟเสริม／สแตนด์บาย／ไบแอส (aux／standby／bias) และวงจรขับเกต บทความนี้แยก PSU ออกเป็นภาคต่าง ๆ แล้วอธิบายทีละภาคว่าภาคใดใช้ชิ้นส่วนแม่เหล็กแบบใด และภาคใดจึงจะถึงคิวของ TIW เพื่อให้วิศวกรด้านแหล่งจ่ายไฟ／ชิ้นส่วนแม่เหล็ก／มาตรฐานความปลอดภัย และฝ่ายจัดซื้อมีเส้นเทียบเคียงที่ตรงไปตรงมา ส่วนการแบ่งหน้าที่ของชิ้นส่วนแม่เหล็กภายในภาคกำลังหลักเอง ดูได้ในบทความของซีรีส์นี้ "แหล่งจ่ายไฟหลักของเซิร์ฟเวอร์ AI: พื้นที่ของ LLC หลักและตัวเหนี่ยวนำเรโซแนนซ์"

1. แยก PSU หนึ่งเครื่องออกเป็นภาคต่าง ๆ ก่อน

ภาพใหญ่ของการจ่ายไฟให้แร็คคือแรงดันที่สูงขึ้น บล็อกเทคนิคของ NVIDIA อธิบายว่า AI factory ในปัจจุบันจ่ายไฟภายในแร็คที่ 54 VDC และเพื่อรองรับแร็ค IT ระดับ 1 MW จะนำสถาปัตยกรรมไฟฟ้ากระแสตรงแรงดันสูง 800 VDC มาใช้ตั้งแต่ปี 2027 นี่คือแนวโน้มการจ่ายไฟในระดับแร็ค และไม่ได้กำหนดโดยตรงว่าหม้อแปลงตัวใดต้องใช้ลวดชนิดใด สิ่งที่กำหนดตำแหน่งของลวดจริง ๆ คือการแบ่งภาคภายใน PSU

PSU ของเซิร์ฟเวอร์แบ่งคร่าว ๆ ได้เป็นสองเส้นทาง ซึ่งมีความต้องการด้านชิ้นส่วนแม่เหล็กต่างกัน:

• AC-DC ด้านหน้า (PFC) — หน้าที่：แก้ไขค่าตัวประกอบกำลัง รักษาแรงดันบัสกลางให้คงที่；ชิ้นส่วนแม่เหล็กทั่วไป：ตัวเหนี่ยวนำ／โช้ก PFC (ชิ้นส่วนแม่เหล็กแบบพันลวด ส่วนใหญ่เป็นลวดทองแดงกระแสสูงหรือลวดลิตซ์)；เป็นหมวดของ TIW เส้นเดี่ยวหรือไม่：ไม่ใช่
• DC-DC แยกวงจรด้านหลัง (LLC หลัก) — หน้าที่：แยกวงจรปฐมภูมิ／ทุติยภูมิและปรับแรงดัน จ่ายไฟหลัก；ชิ้นส่วนแม่เหล็กทั่วไป：หม้อแปลงกำลังหลัก + ตัวเหนี่ยวนำเรโซแนนซ์／แมกนีไทซิง；เป็นหมวดของ TIW เส้นเดี่ยวหรือไม่：ไม่ใช่ (ใช้ planar + litz ดู §2)
• แหล่งจ่ายไฟเสริม／สแตนด์บาย／ไบแอส (aux／standby／bias) — หน้าที่："ไฟเลี้ยงภายใน" ของวงจรควบคุม ทำงานก่อนไฟหลัก；ชิ้นส่วนแม่เหล็กทั่วไป：หม้อแปลงแยกวงจรกำลังต่ำ (แบบพันลวด เช่น ฟลายแบ็ก flyback)；เป็นหมวดของ TIW เส้นเดี่ยวหรือไม่：ใช่ ตำแหน่งที่พบบ่อย (ดู §3)
• วงจรขับเกต (gate-drive) — หน้าที่：ส่งสัญญาณขับและไบแอสไปยังสวิตช์ของภาคกำลังแบบแยกวงจร；ชิ้นส่วนแม่เหล็กทั่วไป：หม้อแปลงขับเกตแบบพันลวด；เป็นหมวดของ TIW เส้นเดี่ยวหรือไม่：ใช่ ตำแหน่งที่พบบ่อย (ดู §4)

ประเด็นสำคัญขอกล่าวไว้ก่อน: เส้นทางกำลังหลัก (PFC, LLC หลัก, ตัวเหนี่ยวนำเรโซแนนซ์) ไม่ใช่หมวดของลวดฉนวนสามชั้นเส้นเดี่ยวของ DAH JIN ตำแหน่งที่แท้จริงของ TIW คือหม้อแปลงแยกวงจรขนาดเล็กสองประเภทในครึ่งล่างของตาราง ต่อไปจะอธิบายทีละภาค

2. เหตุใดภาคกำลังหลักจึงใช้แบบแพลนาร์และลวดลิตซ์

ยกตัวอย่าง application note ของ Infineon ที่เขียนขึ้นสำหรับ PSU ขนาด 12 kW ของศูนย์ข้อมูล AI และเซิร์ฟเวอร์ เส้นทางกำลังหลักของมันเป็นแบบสองภาค: ด้านหน้าเป็น PFC แบบโทเท็มโพลชนิดอินเตอร์ลีฟ 3 ระดับแบบฟลายอิงคาปาซิเตอร์ (ทำหน้าที่แก้ไขค่าตัวประกอบกำลังและรักษาบัส DC กลางให้คงที่) ด้านหลังเป็นคอนเวอร์เตอร์เรโซแนนซ์ LLC แบบ DC-DC แยกวงจร (จ่ายเอาต์พุตที่แยกวงจรและควบคุมแล้วประมาณ 50 VDC) การออกแบบประเภทนี้มีประสิทธิภาพสูงสุดถึง 97.8% และความหนาแน่นกำลังเกิน 113 W/in³

หัวใจอยู่ที่วิธีสร้างชิ้นส่วนแม่เหล็ก เอกสารดังกล่าวระบุว่าหม้อแปลง LLC หลักใช้โครงสร้าง "hybrid planar" ซึ่งประกอบด้วยหม้อแปลงหลักแบบแพลนาร์ (primary／secondary สร้างจากขดลวด PCB หลายชั้น) โดยมีฟิล์มฉนวน Kapton คั่นระหว่างปฐมภูมิกับทุติยภูมิเพื่อให้ได้ความทนแรงดันไฟฟ้าและความจุไฟฟ้าแฝงต่ำ ส่วนตัวเหนี่ยวนำแมกนีไทซิงและตัวเหนี่ยวนำเรโซแนนซ์พันด้วยลวดลิตซ์และวางซ้อนบนโครงสร้างหม้อแปลงแบบแพลนาร์ กล่าวอีกนัยหนึ่ง การแยกวงจรปฐมภูมิ／ทุติยภูมิของภาคกำลังหลักอาศัยฟิล์มฉนวนระหว่างชั้น PCB และการออกแบบระยะห่างตามผิวฉนวน／ระยะห่าง (clearance) ไม่ใช่การพันลวดฉนวนสามชั้นเส้นเดี่ยวเข้าไป ส่วนตัวเหนี่ยวนำเรโซแนนซ์／แมกนีไทซิงความถี่สูงใช้ลวดลิตซ์เพื่อลดความต้านทานกระแสสลับ ซึ่งก็ไม่ใช่หมวดของ TIW เส้นเดี่ยวเช่นกัน

เหตุผลเบื้องหลังทางเลือกการออกแบบนี้ตรงไปตรงมา: ภาคกำลังหลักต้องสมดุลระหว่างความถี่สูง ความหนาแน่นกำลังสูง การระบายความร้อนที่ดี และซอฟต์สวิตชิง (ZVS) ซึ่งความสูงที่ต่ำ พารามิเตอร์ระหว่างชั้นที่คาดการณ์ได้ และการระบายความร้อนของหม้อแปลงแบบแพลนาร์ บวกกับการสูญเสียความถี่สูงที่ต่ำของตัวเหนี่ยวนำลวดลิตซ์ ตอบโจทย์ความต้องการเหล่านี้พอดี นี่คือเหตุผลที่คำตอบตรงไปตรงมาของคำถาม "ภาคกำลังหลักของเซิร์ฟเวอร์ AI ควรใช้ลวดฉนวนสามชั้นหรือไม่" คือ ไม่ใช้ การแยกวงจรและขดลวดของภาคนั้นใช้กรรมวิธีอีกชุดหนึ่ง การออกแบบ LLC สำหรับศูนย์ข้อมูลทั้งในแวดวงวิชาการและอุตสาหกรรม (เช่น งานวิจัย LLC ความหนาแน่นสูงที่ผสานชิ้นส่วนแม่เหล็กแบบแพลนาร์ และ reference design ของ LLC AC-DC สำหรับเซิร์ฟเวอร์) ก็ชี้ไปที่การผสมแพลนาร์ + ลิตซ์เช่นเดียวกัน

3. ตำแหน่งแรกของลวดฉนวนสามชั้น: แหล่งจ่ายไฟเสริม／สแตนด์บาย／ไบแอส

นอกจากไฟหลัก PSU ทุกเครื่องมี "ไฟเลี้ยงภายใน" (housekeeping) หนึ่งชุด ข้อกำหนดการออกแบบหม้อแปลงโซลิดสเตต (SST) ของ OCP ระบุให้เป็นองค์ประกอบอิสระ (Auxiliary power) และนิยามบทบาทของมันไว้ว่า: เป็นขั้นตอนแรกเมื่อเปิดเครื่อง ทำงานด้วยระดับความพร้อมใช้งานสูงสุด และเป็นอิสระจากสถานะการทำงานของอุปกรณ์หลัก แหล่งจ่ายไฟสแตนด์บาย／ไบแอสของ PSU เซิร์ฟเวอร์ก็อยู่ในประเภทเดียวกัน คือเลี้ยงตัวควบคุม การสื่อสาร และวงจรป้องกันก่อนที่ไฟหลักจะพร้อม

แหล่งจ่ายไฟประเภทนี้มีกำลังต่ำ แต่ก็ต้องทำการแยกวงจรเพื่อความปลอดภัยข้ามปฐมภูมิ／ทุติยภูมิเช่นกัน (โทโพโลยีที่พบบ่อย เช่น ฟลายแบ็ก flyback) และสิ่งที่ใช้คือหม้อแปลงแยกวงจรขนาดเล็กแบบพันลวด การทำฉนวนเสริมแรง (Reinforced) บนหม้อแปลงขนาดเล็กแบบนี้ด้วยลวดขดเส้นเดียว ลวดฉนวนสามชั้นคือวิธีที่ใช้กันทั่วไป และนี่คือระดับการใช้งานที่ลวดฉนวนสามชั้นทั้งสี่รุ่นของ DAH JIN (TLW-B, TLW-BB, TLW-B7S, TLW-F) ตรงกับงานจริง ๆ

สำหรับภาคนี้ หลักฐานชั้นต้นที่ DAH JIN ให้ได้คือชุดเงื่อนไขการรับรองที่ตายตัว ไม่ใช่คำกล่าวอ้างว่า "ถูกนำไปใช้ในเซิร์ฟเวอร์ AI เครื่องใดแล้ว": ทั้งสี่รุ่นอยู่ในขอบเขตการประเมิน IEC 62368-1 Annex J ของ VDE 40008834 Anlage 200 ค่าตัวเลขที่เจาะจง เช่น แรงดันใช้งาน／แรงดันพีค／ความถี่ทดสอบ ให้ยึดตามเอกสารอนุมัติสเปก และใบรับรอง VDE เสมอ ขนาดลวด 0.10–1.00 mm (TLW-B7S เป็นลวดตีเกลียว 7 เส้น เส้นย่อย 0.10–0.30 mm) ระดับความทนความร้อน 130(B) และ TLW-F เป็น Class F (155°C) วิธีปฏิบัติของฝ่ายออกแบบคือนำจุดทำงานจริงของหม้อแปลงเสริม／สแตนด์บายของตนมาเทียบกับเงื่อนไข Annex J ที่ระบุในเอกสารอนุมัติสเปก หากอยู่ในเงื่อนไขก็เลือกใช้ได้ หากข้อใดข้อหนึ่งเกินต้องประเมินแยกต่างหาก บทความนี้ไม่คำนวณย้อนกลับแรงดันใช้งานของหม้อแปลงจากบัส 800 VDC ของแร็ค และไม่อ้างว่าลวดฉนวนสามชั้นของ DAH JIN ถูกนำไปใช้ในระบบจ่ายไฟของศูนย์ข้อมูลแห่งใดโดยเฉพาะ เส้นแบ่งระหว่างระดับความทนความร้อนของลวดกับของระบบฉนวน ดูที่ ระดับความทนความร้อนของลวดกับระดับความทนความร้อนของระบบฉนวน

4. ตำแหน่งที่สอง: หม้อแปลงขับเกต

สวิตช์ของภาคกำลัง SiC／GaN ต้องถูกขับแบบแยกวงจร และสัญญาณขับกับไบแอสมักถูกส่งข้ามปฐมภูมิ／ทุติยภูมิด้วยหม้อแปลงขับเกตแบบพันลวด ข้อมูลผลิตภัณฑ์หม้อแปลงขับเกตในอุตสาหกรรมแสดงว่า เพื่อให้หม้อแปลงประเภทนี้ถึงระดับฉนวนเสริมแรง รุ่นที่สอดคล้องจะพันขดลวดด้วยลวดฉนวนสามชั้น เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดฉนวนเสริมแรงของมาตรฐานอย่าง IEC 61558 และ IEC 60601 ส่วนเอกสารการใช้งานของ Texas Instruments (TI) ก็จัดให้ "แหล่งจ่ายไฟไบแอสแบบแยกวงจรสำหรับเกตไดรเวอร์แบบแยกวงจร" เป็นหัวข้อการออกแบบแยกต่างหาก สิ่งเหล่านี้คือข้อเท็จจริงการใช้งานจากบุคคลที่สาม ใช้เพื่อแสดงว่า "หม้อแปลงขับเกตเป็นตำแหน่งที่สมเหตุสมผลของ TIW" นั้นเป็นจริง ส่วนตัวเลขความทนแรงดันไฟฟ้าในนั้นเป็นของแคตตาล็อกผู้ผลิตแต่ละราย ไม่ใช่เงื่อนไขของ DAH JIN

กลับมาที่ DAH JIN เอง: เมื่อเลือกลวดฉนวนสามชั้นสำหรับหม้อแปลงแยกวงจรขนาดเล็กของวงจรขับเกต／ไบแอส เงื่อนไขชั้นต้นที่อ้างอิงได้คือชุดเดียวกับ §3 — ทั้งสี่รุ่นอยู่ในขอบเขตการประเมิน Annex J (IEC 62368-1) แรงดันใช้งาน／แรงดันพีค／ความถี่ทดสอบตามเอกสารอนุมัติสเปก ขนาดลวด ≤1.00 mm (เส้นย่อยของ TLW-B7S ≤0.30 mm) 130(B) สิ่งที่ Anlage 200 ระบุคือความถี่ทดสอบ บทความนี้ไม่ขยายผลไปยังความถี่สวิตชิงจริงของ SiC／GaN

5. เกณฑ์ทางวิศวกรรม: จัดระดับก่อน แล้วค่อยพูดถึงลวด

ข้อสรุปหนึ่งหน้าสำหรับวิศวกรแหล่งจ่ายไฟ／ชิ้นส่วนแม่เหล็ก มีลำดับคือ "จัดชิ้นส่วนให้อยู่ในภาคที่ถูกต้องก่อน แล้วค่อยพูดว่าต้องใช้ TIW หรือไม่":

1. เส้นทางกำลังหลัก (PFC, LLC หลัก, ตัวเหนี่ยวนำเรโซแนนซ์／แมกนีไทซิง): ใช้หม้อแปลงแบบแพลนาร์และลวดลิตซ์ การแยกวงจรปฐมภูมิ／ทุติยภูมิทำได้ด้วยฉนวนระหว่างชั้น PCB และการออกแบบระยะห่าง ภาคนี้ไม่ใช่หมวดของลวดฉนวนสามชั้นเส้นเดี่ยว ไม่จำเป็นและไม่ควรนึกถึง TIW
2. หม้อแปลงแยกวงจรขนาดเล็กของแหล่งจ่ายไฟเสริม／สแตนด์บาย／ไบแอสและวงจรขับเกต: นี่คือหม้อแปลงแยกวงจรแบบพันลวด และเป็นตำแหน่งของลวดฉนวนสามชั้น หากจะเลือก TIW ให้นำแรงดันใช้งานจริง แรงดันพีค และความถี่ทดสอบของหม้อแปลงตัวนั้นมาเทียบกับเงื่อนไขการรับรอง Annex J ที่ระบุในเอกสารอนุมัติสเปก (และขนาดลวดต้องอยู่ในช่วง 0.10–1.00 mm เส้นย่อยของ TLW-B7S อยู่ในช่วง 0.10–0.30 mm) หากอยู่ในเงื่อนไขก็เลือกใช้ได้ หากข้อใดข้อหนึ่งเกินต้องประเมินแยกต่างหาก
3. ไม่คำนวณย้อนกลับ ไม่ขยายผล: ไม่คำนวณจุดทำงานของหม้อแปลงย้อนกลับจากแรงดันบัสของแร็ค (54／800 VDC) สำหรับงานการแพทย์ Annex L (2 MOOP／2 MOPP) มีชุดเงื่อนไขอีกชุดหนึ่ง และผูกกับ TLW-BB และ TLW-B7S เท่านั้น ค่าตัวเลขก็ยึดตามเอกสารอนุมัติสเปกเช่นกัน การแยกทางขั้นแรกของการเลือกรุ่น (B 130°C vs F 155°C) ดูที่ คู่มือการเลือกลวดฉนวนสามชั้น