แหล่งจ่ายไฟของสถานีฐานโทรคมนาคม: หม้อแปลงแยกวงจรในเร็กติไฟเออร์ −48V

บทความนี้เขียนสำหรับวิศวกรด้านแหล่งจ่ายไฟ ชิ้นส่วนแม่เหล็ก และจัดซื้อที่ทำงานกับระบบจ่ายไฟของสถานีฐานโทรคมนาคมและชุมสาย (central office) การจ่ายไฟในงานโทรคมนาคมมีลักษณะเฉพาะที่พบได้ยากในการใช้งานอื่น: ระยะเวลาสำรองไฟถูกเขียนไว้ในกฎระเบียบและข้อกำหนดของอุตสาหกรรมมาก่อนแล้ว — ไม่ใช่สิ่งที่ผู้ออกแบบเลือกเอง "รางข้อกำหนด" ที่ชัดเจนเส้นนี้กำหนดรูปร่างของระบบไฟฟ้ากระแสตรง −48 V ทั้งระบบ และยังวางหม้อแปลงแยกวงจรความถี่สูงไว้ในเร็กติไฟเออร์ (rectifier) ทุกตัวด้วย บทความนี้เริ่มจากรางข้อกำหนด แกะดูภายในเร็กติไฟเออร์ −48 V และอธิบายว่าเหตุใดหม้อแปลงแยกวงจรตัวนี้จึงเป็นจุดที่ลวดฉนวนสามชั้น (TIW, Triple Insulated Wire) เหมาะพอดี ค่าตัวเลขของผลิตภัณฑ์ DAH JIN ทั้งหมด "เป็นไปตามเอกสารอนุมัติสเปก"

1. ระยะเวลาสำรองไฟคือ "รางข้อกำหนด" ที่ชัดเจน

การใช้งานส่วนใหญ่ต้องเริ่มจากการประเมินว่า "ต้องสำรองไฟได้นานเท่าใด" แต่งานโทรคมนาคมไม่ต้อง — ระยะเวลาสำรองไฟมักถูกกำหนดไว้ล่วงหน้าโดยหน่วยงานกำกับดูแลหรือเกณฑ์การออกแบบของผู้ให้บริการ และเป็นข้อกำหนดที่ฝั่งลูกค้า (ผู้ให้บริการโทรคมนาคม) ต้องเผชิญ ไม่ใช่สิ่งที่ผู้จัดหาอุปกรณ์หรือลวดจะกำหนดได้ รางข้อกำหนดนี้ชัดเจนเพียงใด ดูได้จากตัวอย่างสาธารณะไม่กี่รายการ:

• FCC ของสหรัฐฯ กำหนดไว้ในกฎ "Ensuring Continuity of 911 Communications" ปี 2015 ว่า ผู้ให้บริการเสียงประจำที่สำหรับที่พักอาศัยต้องให้ผู้ใช้สามารถเลือกซื้อแผนที่มีความสามารถสำรองไฟสแตนด์บาย 8 ชั่วโมง ได้ และต่อมาขยายเป็นตัวเลือก 24 ชั่วโมง (ตั้งแต่ 2019-02-13)
• ตามความสำคัญของโหนด เป้าหมายการออกแบบของชุมสายหลักจะยาวกว่า: ชุมสาย (central office) ที่ให้บริการศูนย์รับแจ้งเหตุฉุกเฉิน (PSAP) โดยตรงมักตั้งเป้าที่ 24 ชั่วโมง ที่โหลดเต็ม ส่วนชุมสายวิกฤตที่รองรับ selective router ตั้งเป้าที่ 72 ชั่วโมง
• สถานีฐานโทรศัพท์เคลื่อนที่มีช่วงค่าทั่วไปของอุตสาหกรรมที่ต่างกันตามพื้นที่ (เขตเมืองประมาณ 2–4 ชั่วโมง ชานเมืองประมาณ 4–6 ชั่วโมง พื้นที่ห่างไกลประมาณ 6–8 ชั่วโมง)

ประเด็นไม่ได้อยู่ที่ตัวเลขใด แต่อยู่ที่: ชั่วโมงเหล่านี้คือข้อกำหนดตายตัว และวิธีการบรรลุนั้นแทบจะคงที่ — ใช้เร็กติไฟเออร์แปลงไฟฟ้ากระแสสลับจากระบบจำหน่าย (mains) เป็นไฟฟ้ากระแสตรง −48 V จ่ายโหลดไปพร้อมกับประจุชุดแบตเตอรี่ให้เต็ม เมื่อไฟหลักดับ แบตเตอรี่จะพยุงสถานีไปจนครบระยะเวลาที่กำหนด ระบบไฟฟ้า −48 V ทั้งระบบโดยเนื้อแท้แล้วมีอยู่เพื่อตอบสนองรางข้อกำหนดระยะเวลาสำรองไฟเส้นนี้ และนี่คือจุดเริ่มต้นของคำถามว่า "หม้อแปลงแยกวงจรอยู่ตรงไหน" (ระยะเวลาสำรองไฟเป็นข้อเท็จจริงด้านกฎระเบียบ/อุตสาหกรรมของฝั่งลูกค้า ไม่ใช่กำหนดส่งมอบหรือการรับประกันผลิตภัณฑ์ของ DAH JIN)

2. ภายในเร็กติไฟเออร์ −48V: PFC → การแยกวงจรความถี่สูง → การเรียงกระแสและกรอง

−48 V คือมาตรฐานโดยพฤตินัยของการจ่ายไฟกระแสตรงในงานโทรคมนาคม: ETSI EN 300 132-2 คือมาตรฐานที่กำหนดอินเทอร์เฟซอินพุตไฟฟ้ากระแสตรง −48 V (interface "A") สำหรับอุปกรณ์ ICT/โทรคมนาคม โดยมีแรงดันระบุ −48 V (บางระบบใช้ −54 V) ธรรมเนียมแรงดันลบนี้มีที่มาทางประวัติศาสตร์ (แบตเตอรี่ 12 V สี่ก้อนต่ออนุกรม และการต่อขั้วบวกลงดินช่วยลดการกัดกร่อนของสายทองแดง) บทบาทของเร็กติไฟเออร์คือแปลงไฟ AC จากระบบจำหน่ายให้เป็นบัส −48 V/−54 V ที่ควบคุมแรงดันอย่างเข้มงวดเส้นนี้ — ดังที่ผลิตภัณฑ์เร็กติไฟเออร์ในอุตสาหกรรมระบุไว้ว่า "แปลงแหล่งจ่าย AC ใด ๆ ให้เป็นไฟฟ้ากระแสตรง −48 V ที่สถานีฐานไร้สายต้องการ"

เร็กติไฟเออร์แบบสวิตชิ่ง (switch-mode) หนึ่งตัวแยกภายในออกได้เป็นหลายขั้น และสิ่งที่แยกฝั่ง AC ออกจากฝั่ง −48 V อย่างแท้จริงคือหม้อแปลงแยกวงจรความถี่สูงที่อยู่ภายใน:

• ขั้นหน้า AC-DC (PFC): การแก้ไขค่าตัวประกอบกำลัง เรียงกระแสไฟหลักและยกขึ้นเป็นบัสไฟฟ้ากระแสตรงแรงดันสูง
• ขั้นอินเวอร์เตอร์ความถี่สูง: สับไฟฟ้ากระแสตรงแรงดันสูงนี้ให้เป็นไฟฟ้ากระแสสลับความถี่สูง แล้วส่งเข้าหม้อแปลงแยกวงจร
• หม้อแปลงแยกวงจร: ทำหน้าที่แยกทางไฟฟ้าระหว่างขดปฐมภูมิ/ทุติยภูมิ เป็นแนวกั้นความปลอดภัยที่แยกไฟหลักอันตรายออกจากฝั่ง −48 V (ซึ่งเชื่อมต่อกับแบตเตอรี่ การจ่ายไฟ ไปจนถึงส่วนที่เจ้าหน้าที่บำรุงรักษาสัมผัสได้)
• การเรียงกระแสและกรองฝั่งทุติยภูมิ: เรียงกระแสและกรองไฟฟ้ากระแสสลับความถี่สูงอีกครั้งให้เป็นเอาต์พุต −48 V ที่ควบคุมแรงดันแล้ว

การออกแบบเร็กติไฟเออร์ของบุคคลที่สามก็ยืนยันโครงสร้างนี้: ยกตัวอย่างเอกสารอบรมการออกแบบเร็กติไฟเออร์โทรคมนาคมของ TI ที่แปลงอินพุต AC สากล 1000 W เป็นไฟฟ้ากระแสตรง 48 V โดยใช้ PFC แบบอินเตอร์ลีฟร่วมกับ DC/DC แบบฟูลบริดจ์เลื่อนเฟส (phase-shifted full bridge) เอกสารสิทธิบัตรก็บรรยายเร็กติไฟเออร์ AC-DC ในแบบเดียวกันว่า "PFC สร้างไฟฟ้ากระแสตรงแรงดันสูง → อินเวอร์เตอร์สร้างไฟฟ้ากระแสสลับความถี่สูง → ส่งผ่านหม้อแปลงแยกวงจร → เรียงกระแสและกรองเพื่อจ่ายบัสแบตเตอรี่ −48 V" ไม่ว่ารายละเอียดโทโพโลยีจะเป็นอย่างไร ระหว่างขดปฐมภูมิ/ทุติยภูมิย่อมมีหม้อแปลงแยกวงจรตัวนี้ยืนอยู่ และมันต้องบรรลุระดับฉนวนเสริมแรง (Reinforced) — เพราะสิ่งที่มันแยกออกจากกันคือไฟหลักที่ทำให้คนถูกไฟดูดได้ กับฝั่ง −48 V ที่จ่ายไฟให้ทั้งสถานี

3. หม้อแปลงแยกวงจร: จุดที่ลวดฉนวนสามชั้น (TIW) เหมาะพอดี

การทำให้หม้อแปลงแยกวงจรตัวนี้บรรลุฉนวนเสริมแรง ในการออกแบบมีสองทาง: ทางหนึ่งคือเพิ่ม "margin tape (เทปกั้นขอบ) + ชั้นกั้น" แต่วิธีนี้กินความกว้างของบ็อบบิ้น (bobbin) และบีบพื้นที่พันขดลวด อีกทางหนึ่งคือใช้ลวดฉนวนสามชั้นโดยตรง คุณค่าของลวดฉนวนสามชั้นอยู่ตรงนี้เอง — ตัวลวดเองมีฉนวนอิสระสามชั้น ใช้ลวดเพียงเส้นเดียวก็บรรลุการแยกแบบเสริมแรงบนขดลวดได้ ทำให้ระยะห่างตามผิวฉนวน (creepage) และ clearance (ระยะห่างในอากาศ) ระหว่างขดลวดแทบไม่ต้องคำนึงถึงอีก ขดลวดพันชิดขอบได้ หม้อแปลงจึงทำให้เล็กลงและแน่นขึ้นได้ แนวปฏิบัติการออกแบบของอุตสาหกรรมชี้ไว้ตรง ๆ ว่า เมื่อเปลี่ยนมาใช้ลวดฉนวนสามชั้นก็ "ไม่ต้องใช้ margin tape" และ "ข้อกำหนด creepage และ clearance ระหว่างขดลวดจะไม่นำมาใช้อีก"

ประเด็นนี้มีคุณค่าเป็นพิเศษในเร็กติไฟเออร์โทรคมนาคม โมดูลเร็กติไฟเออร์ให้ความสำคัญกับความหนาแน่นกำลังสูงและการถอดเปลี่ยนขณะทำงาน (hot-swap) (โมดูลเร็กติไฟเออร์ −48 V ในอุตสาหกรรมมีประสิทธิภาพสูงสุดประมาณ 96% และรองรับ hot insertion) เมื่อย่อหม้อแปลงแยกวงจรให้เล็กลง ก็ใส่กำลังได้มากขึ้นในโมดูลเดียวกัน หรือทำโมดูลให้บางลงได้ ดังนั้นหม้อแปลงแยกวงจรตัวนี้ในเร็กติไฟเออร์ −48 V คือจุดลงตัวที่ลวดฉนวนสามชั้นเหมาะพอดีอย่างแท้จริง — ต่างจากบางการใช้งานที่ "ขดลวดกำลังหลักไม่ใช้ TIW แบบเส้นเดี่ยว" เพราะสิ่งที่ต้องการที่นี่คือจุดแข็งของการใช้ลวดเส้นเดียวข้ามแนวกั้นแรงดันสูงและบรรลุการแยกแบบเสริมแรง ในแง่หลักอ้างอิงด้านความปลอดภัยที่เกี่ยวข้อง IEC 62368-1 Annex J คือภาคผนวกที่กำหนดเรื่อง "winding wire หุ้มฉนวนที่ใช้เป็นฉนวน (เสริมแรง)" รายละเอียดข้อกำหนดกล่าวถึงเพียงเท่านี้ ในทางปฏิบัติให้ยึดเอกสารอนุมัติสเปกเป็นหลัก

ตารางด้านล่างจับคู่ความต้องการของขั้นนี้กับสิ่งที่ลวดฉนวนสามชั้นให้ได้ (ค่าของ DAH JIN เป็นไปตามเอกสารอนุมัติสเปกทั้งหมด):

• การแยกแบบเสริมแรงระหว่างปฐมภูมิ/ทุติยภูมิ (ไฟหลัก ↔ ฝั่ง −48 V) — สิ่งที่ลวดฉนวนสามชั้น (TIW) ให้：ฉนวนอิสระสามชั้น ลวดเส้นเดียวบรรลุการแยกระดับ Reinforced；รายการที่สอดคล้องของ DAH JIN (ตามเอกสารอนุมัติสเปก)：ทั้งสี่รุ่นได้รับการประเมินตาม IEC 62368-1 Annex J, Reinforced; เงื่อนไขตามเอกสารอนุมัติสเปก
• ประหยัด creepage/clearance พันขดลวดชิดขอบได้ ย่อขนาดหม้อแปลง — สิ่งที่ลวดฉนวนสามชั้น (TIW) ให้：creepage/clearance ระหว่างขดลวดแทบไม่นำมาใช้；รายการที่สอดคล้องของ DAH JIN (ตามเอกสารอนุมัติสเปก)：ขนาดลวด 0.10–1.00 mm (TLW-B7S เป็นลวดตีเกลียว 7 เส้น เส้นเดี่ยว 0.10–0.30 mm)
• การแยกที่เสถียรและรับรองได้ภายใต้การทำงานความถี่สูง — สิ่งที่ลวดฉนวนสามชั้น (TIW) ให้：การประเมินการแยกแบบเสริมแรงภายใต้ระบบการรับรองของ UL/VDE；รายการที่สอดคล้องของ DAH JIN (ตามเอกสารอนุมัติสเปก)：ระดับความทนความร้อน 130(B); TLW-F เป็น Class F (155 °C) และมี UL 2353 Reinforced เพิ่มเติม
• ระดับความทนความร้อนที่สอดคล้องกับอุณหภูมิจุดร้อน — สิ่งที่ลวดฉนวนสามชั้น (TIW) ให้：การจัดระดับความทนทานต่อความร้อนของวัสดุ (B/F)；รายการที่สอดคล้องของ DAH JIN (ตามเอกสารอนุมัติสเปก)：เมื่อนำไปใช้ ให้เอกสารอนุมัติสเปกเป็นตัวกำหนดรุ่นและช่วงขนาดลวด

4. เงื่อนไขชั้นต้นที่ DAH JIN อ้างอิงได้ และจุดเริ่มต้นของการเลือก (ตามเอกสารอนุมัติสเปก)

ในการเลือกลวดฉนวนสามชั้นสำหรับหม้อแปลงแยกวงจรของเร็กติไฟเออร์ตัวนี้ สิ่งที่ DAH JIN ให้ได้คือชุดเงื่อนไขการรับรองที่ตายตัว ไม่ใช่การกล่าวอ้างว่า "ถูกนำไปใช้ในเร็กติไฟเออร์รุ่นใดรุ่นหนึ่งแล้ว" สี่รุ่นที่ DAH JIN จำหน่ายคือ TLW-B, TLW-BB, TLW-B7S และ TLW-F ทั้งหมดอยู่ในขอบเขตการประเมิน IEC 62368-1 Annex J ของ VDE 40008834 Anlage 200 และได้รับการประเมินเป็นระดับเสริมแรง (Reinforced) ส่วนแรงดันใช้งาน แรงดันพีค และความถี่ทดสอบที่เฉพาะเจาะจงนั้นเป็นไปตามเอกสารอนุมัติสเปกและใบรับรอง VDE ทั้งหมด บทความนี้ไม่นำมาแสดงซ้ำ ขนาดลวด 0.10–1.00 mm (TLW-B7S เป็นลวดตีเกลียว 7 เส้น เส้นเดี่ยว 0.10–0.30 mm) ระดับความทนความร้อน 130(B); TLW-F เป็น Class F (155 °C) และมี UL 2353 Reinforced เพิ่มเติม หากอุปกรณ์ข้างสถานีเกี่ยวข้องกับข้อกำหนดการแยกในบริบททางการแพทย์ เงื่อนไข Annex L (IEC 60601-1) 2 MOOP/2 MOPP ผูกกับ TLW-BB และ TLW-B7S เท่านั้น ค่าตัวเลขเป็นไปตามเอกสารอนุมัติสเปกเช่นกัน

พึงทราบว่า: DAH JIN เป็นผู้ผลิต (ไม่ใช่ผู้ค้าคนกลาง) มีโรงงานของตนเองที่กุยเหริน ไถหนาน ไต้หวัน สถานที่ผลิตที่ระบุในทะเบียน UL คือโรงงานแห่งนี้ (ผลิตในไต้หวัน) เมื่อนำไปใช้ ให้เอกสารอนุมัติสเปกเป็นตัวกำหนดรุ่นและช่วงขนาดลวด หากต้องขึ้นทะเบียนในฐานะระบบฉนวนไฟฟ้า (EIS) (DJ-130, UL E318181, System Class 130(B), ชิ้นส่วนคือ TLW-BB และ TLW-B7S) จะต้องมี Authorization Letter (หนังสืออนุญาต) เพิ่มเติม

ขั้นแรกของการเลือกคือกำหนดระดับความทนความร้อนและประเภทก่อน: การแบ่งและการใช้งานระหว่างระดับ B (130 °C) กับระดับ F (155 °C) ดูที่คู่มือการเลือกลวดฉนวนสามชั้น และเนื่องจาก "ระดับความทนความร้อนของลวด" กับ "ระดับความทนความร้อนของระบบฉนวน/ผลิตภัณฑ์สำเร็จ" เป็นการขึ้นทะเบียนคนละรายการที่ใช้แทนกันไม่ได้ ดูที่ระดับความทนความร้อนของลวดกับระดับความทนความร้อนของระบบฉนวน นำแรงดันใช้งานจริง แรงดันพีค ความถี่ทดสอบ และอุณหภูมิจุดร้อนของหม้อแปลงแยกวงจรในเร็กติไฟเออร์มาเทียบกับเงื่อนไข Annex J ที่ระบุในเอกสารอนุมัติสเปก หากอยู่ในช่วงก็เลือกใช้ได้ หากรายการใดเกินช่วงต้องประเมินแยกต่างหาก