จะเลือกลวดเส้นเล็กด้านทุติยภูมิของหม้อแปลงหัวชาร์จเร็ว (GaN／USB-PD) อย่างไร

GaN และ USB-PD ผลักหม้อแปลง AC-DC เข้าสู่ย่าน "ความถี่สูงขึ้น ขนาดเล็กลง ความหนาแน่นกำลังสูงขึ้น" และกติกาของการพันขดลวดด้านทุติยภูมิก็เปลี่ยนตามไปด้วย บทความนี้เขียนให้วิศวกรออกแบบและวิศวกรจัดซื้อหม้อแปลงสำหรับหัวชาร์จเร็ว: ทำไมด้านทุติยภูมิจึงเดินไปทางลวดเส้นเล็กและหลายเส้น เมื่อใดควรใช้ TIW ที่มีฉนวนเสริมแรง และในการเลือกสเปก ค่าใดบ้างที่ควรระบุว่า "ตามเอกสารอนุมัติสเปก" จึงจะถูกต้อง

ทำไม GaN／USB-PD จึงผลักหม้อแปลงไปสู่ความถี่สูงและลวดเส้นเล็ก

อุปกรณ์ GaN มีการสูญเสียจากการสวิตช์ต่ำกว่า ทำให้โทโพโลยีฟลายแบ็ก (flyback) ที่หัวชาร์จเร็วนิยมใช้ (ส่วนใหญ่เป็นฟลายแบ็กแบบ quasi-resonant (QR) หรือ active clamp flyback) สามารถดันความถี่สวิตชิ่งให้สูงขึ้นได้ เมื่อความถี่สูงขึ้น ค่าความเหนี่ยวนำและปริมาตรแกนแม่เหล็กที่ต้องใช้ที่กำลังเท่าเดิมก็ลดลงได้ทั้งคู่ นี่คือวิธีหลักที่หัวชาร์จเร็ว GaN／USB-PD ใช้ไล่ตามความหนาแน่นกำลังสูง ในทางปฏิบัติความถี่สูงอาจอยู่ในระดับหลายร้อย kHz จนถึง 1 MHz

แต่พอความถี่สูงขึ้น ต้นทุนก็โผล่มาที่ขดลวด: การสูญเสียในทองแดงจากกระแสสลับ (AC copper loss) ที่ความถี่สูง (skin effect ปรากฏการณ์ผิว และ proximity effect) จะกลายเป็นหนึ่งในการสูญเสียหลัก skin effect ทำให้กระแสไปกระจุกตัวที่ขอบนอกของตัวนำ พื้นที่หน้าตัดที่ใช้งานได้จริงเล็กลง ความต้านทานที่ความถี่สูงจึงเพิ่มขึ้น ส่วนความลึกผิว (skin depth) ของทองแดงจะลดลงเมื่อความถี่สูงขึ้น อยู่ในระดับประมาณ 0.21 mm ที่ 100 kHz และราว 66 µm ที่ 1 MHz กล่าวคือ ที่ความถี่ทำงานของหัวชาร์จเร็ว ลวดเส้นเดี่ยวขนาดใหญ่หนึ่งเส้นมีพื้นที่หน้าตัดส่วนใหญ่ที่ "ไม่ได้นำกระแส" จริง ๆ

ทำไมด้านทุติยภูมิจึงใช้ลวดเส้นเล็กและหลายเส้น

ด้านทุติยภูมิของหัวชาร์จเร็วเป็นแรงดันต่ำ กระแสสูง และยังทำงานที่ความถี่สูงอีกด้วย หากใช้ลวดเส้นเดี่ยวขนาดใหญ่ skin effect และ proximity effect จะทำให้ความต้านทานที่ความถี่สูงสูงกว่าความต้านทานไฟตรงมาก ทั้งความร้อนและประสิทธิภาพเสียหายทั้งคู่ แนวทางที่ใช้กันทั่วไปในอุตสาหกรรมคือเปลี่ยนไปใช้ลวดเส้นเล็กหลายเส้นพันขนานกัน หรือลวดตีเกลียว (รวมถึงแนวคิดลวดลิตซ์ litz) ให้เส้นผ่านศูนย์กลางของแต่ละเส้นเล็กกว่าความลึกผิวหนึ่งหน่วย กระจายกระแสไปยังหลายเส้นมากขึ้น เพื่อกดการสูญเสียในทองแดงจากกระแสสลับที่ความถี่สูงลง กฎจากประสบการณ์ที่ใช้กันบ่อยคือให้เส้นผ่านศูนย์กลางของลวดแต่ละเส้นเล็กกว่าประมาณสองเท่าของความลึกผิว

สิ่งที่ต้องระวังคือ proximity effect แก้ไม่ได้ด้วยการลดขนาดลวดเพียงอย่างเดียว ต้องประกอบกับการจัดชั้นขดลวดและวิธีการพันด้วย ซึ่งส่วนนี้เป็น know-how ของการผลิต จึงขอกล่าวถึงแต่พอสังเขป สำหรับฝ่ายเลือกวัสดุ ประเด็นสำคัญคือ "ด้านทุติยภูมิต้องการตัวนำที่ผลิตเป็นขนาดลวดเล็กได้ และจัดส่งในรูปแบบหลายเส้น／ตีเกลียวได้"

ฉนวนเสริมแรงกับความหนาแน่นกำลังสูง: ข้อได้เปรียบของ TIW ที่ไม่ต้องใช้ margin

ระหว่างด้านปฐมภูมิกับด้านทุติยภูมิของหัวชาร์จเร็วต้องมีฉนวนเสริมแรง (reinforced insulation) วิธีดั้งเดิมอาศัยการพันแบบแซนด์วิชร่วมกับ margin tape (เทปกั้นขอบ) ทั้งสองข้างเพื่อสร้างระยะห่างตามผิวฉนวนและระยะห่าง (clearance) แต่ margin จะกินพื้นที่ช่องหน้าต่างพันขดลวด ซึ่งขัดกับเป้าหมาย "ขนาดเล็ก ความหนาแน่นกำลังสูง"

ลวดฉนวนสามชั้น (TIW) ทำฉนวนเสริมแรงลงไปในตัวลวดเองโดยตรง ตามการประเมินระดับชิ้นส่วนของ IEC 62368-1 Annex J เมื่อใช้ TIW ระยะห่างตามผิวฉนวนและ clearance ระหว่างขดลวดกับขดลวดจะง่ายขึ้นอย่างมาก ไม่เป็นคอขวดของช่องหน้าต่างพันขดลวดอีกต่อไป จึงตัด margin ออกและพันเต็มช่องหน้าต่างได้ ซึ่งเป็นประโยชน์มากสำหรับการออกแบบขนาดเล็กความหนาแน่นกำลังสูงอย่างหัวชาร์จเร็ว แต่ต้องย้ำว่า แกนแม่เหล็กถือเป็นชิ้นส่วนนำไฟฟ้า ระยะห่างตามผิวฉนวนและ clearance จากขดลวดถึงแกนแม่เหล็กและถึงขั้วต่อยังต้องรักษาไว้ตามมาตรฐานความปลอดภัย ไม่ได้เป็นศูนย์ทั้งหมด ส่วนเงื่อนไขการประเมินจริงและช่วงขนาดลวดของแต่ละรุ่น ให้ยึดตามเอกสารอนุมัติสเปก เสมอ รายละเอียดของมาตรฐานไม่ขอลงลึกในที่นี้

ความแตกต่างระหว่าง TIW กับลวดอาบน้ำยาทั่วไปและ FIW รวมถึงความสัมพันธ์ระหว่างระดับความทนความร้อนกับระบบฉนวนโดยรวม ดูได้ที่ /news/tiw-vs-fiw-vs-enamelled-wire และ /news/wire-vs-system-thermal-class

ซีรีส์ TLW ของ DAH JIN ตอบโจทย์ลวดเส้นเล็กด้านทุติยภูมิของหัวชาร์จเร็วอย่างไร

DAH JIN เป็นผู้ผลิตลวดฉนวนสามชั้น (ไม่ใช่บริษัทเทรดดิ้ง) มีโรงงานของตนเองที่กุ้ยเหริน ไถหนาน ไต้หวัน ผลิตในไต้หวัน สำหรับความต้องการ "ลวดเส้นเล็ก＋หลายเส้น＋ฉนวนเสริมแรง" ของด้านทุติยภูมิหัวชาร์จเร็ว คุณสมบัติหลายข้อของซีรีส์ TLW ตอบโจทย์ได้โดยตรง:

• ซีรีส์ TLW (TLW-B／TLW-BB) มีขนาดลวดครอบคลุมช่วงต่อเนื่องตั้งแต่เล็กถึงใหญ่ รวมถึงช่วงลวดเส้นเล็กที่หัวชาร์จเร็วต้องการ
• TLW-B7S เป็นแบบตีเกลียว 7 เส้น ตรงกับแนวทางการกระจายกระแสด้วยหลายเส้น／ตีเกลียวที่ความถี่สูงเพื่อกดการสูญเสียในทองแดงจากกระแสสลับ และเป็นชิ้นส่วนของระบบฉนวน DJ-130 (System Class 130(B))
• TLW-F มีระดับความทนความร้อน Class F (155 °C) ได้รับการประเมินตาม VDE 40008834 (IEC 62368-1 Annex J) เป็น Reinforced เหมาะกับการออกแบบขนาดเล็กความหนาแน่นกำลังสูงที่มีส่วนเผื่อทางความร้อนค่อนข้างจำกัด
• TLW-BB และ TLW-B7S ให้ฉนวนเสริมแรงในรูปแบบ TIW รองรับการพันแบบกะทัดรัดที่ไม่ต้องใช้ margin และพันเต็มช่องหน้าต่าง

ตารางด้านล่างเทียบความต้องการที่พบบ่อยของด้านทุติยภูมิหัวชาร์จเร็วกับรุ่นของ DAH JIN ที่สามารถตอบโจทย์ได้ ค่าตัวเลขเฉพาะให้ยึดตามเอกสารอนุมัติสเปกเสมอ

• กระจายกระแสด้วยหลายเส้น／ตีเกลียวที่ความถี่สูง — แนวทาง：ตีเกลียว 7 เส้น；รุ่นของ DAH JIN ที่เลือกได้：TLW-B7S；สเปก：ขนาดลวดแต่ละเส้นและจำนวนเส้นตามเอกสารอนุมัติสเปก
• ฉนวนเสริมแรง พันเต็มช่องหน้าต่างโดยไม่ต้องใช้ margin — แนวทาง：ฉนวนเสริมแรงแบบ TIW；รุ่นของ DAH JIN ที่เลือกได้：TLW-BB／TLW-B7S／TLW-F；สเปก：เงื่อนไขการประเมินตามเอกสารอนุมัติสเปก
• ส่วนเผื่อทางความร้อนค่อนข้างจำกัด — แนวทาง：Class F (155 °C)；รุ่นของ DAH JIN ที่เลือกได้：TLW-F；สเปก：ระดับความทนความร้อนและขนาดลวดตามเอกสารอนุมัติสเปก
• ช่วงลวดเส้นเล็ก — แนวทาง：ขนาดลวดเล็ก；รุ่นของ DAH JIN ที่เลือกได้：ซีรีส์ TLW；สเปก：ขนาดลวดตามเอกสารอนุมัติสเปก

ขั้นตอนการเลือกสเปก (ขนาดลวด จำนวนเส้น ระดับความทนความร้อน และระบบฉนวน ตัดสินใจร่วมกันอย่างไร) ดูได้ที่ /news/tiw-selection-guide ส่วนความสัมพันธ์ระหว่างระดับความทนความร้อนกับฉนวนระบบ ดูที่ /news/wire-vs-system-thermal-class ขนาดลวด จำนวนเส้น และระดับฉนวนจริงของด้านทุติยภูมิหัวชาร์จเร็ว โปรดยึดตามเอกสารอนุมัติสเปกหรือสอบถามฝ่ายขาย