Nguồn điện trạm gốc viễn thông: máy biến áp cách ly bên trong bộ chỉnh lưu −48V

Bài viết này dành cho các kỹ sư nguồn, linh kiện từ và thu mua làm việc với hệ thống cấp nguồn cho trạm gốc viễn thông và tổng đài trung tâm (central office). Nguồn viễn thông có một đặc điểm hiếm gặp ở các ứng dụng khác: thời gian dự phòng đã được ghi sẵn trong quy định pháp lý và yêu cầu của ngành — không phải do người thiết kế tự chọn. "Đường ray yêu cầu" rõ ràng này quyết định hình hài của toàn bộ hệ thống nguồn một chiều −48 V, đồng thời đặt một máy biến áp cách ly cao tần vào bên trong mỗi bộ chỉnh lưu (rectifier). Bài viết xuất phát từ đường ray yêu cầu đó, mở bộ chỉnh lưu −48 V ra xem bên trong và giải thích vì sao chính máy biến áp cách ly này là chỗ mà dây cách điện ba lớp (TIW, Triple Insulated Wire) khớp vào. Mọi trị số sản phẩm của DAH JIN đều "theo tài liệu phê duyệt quy cách".

1. Thời gian dự phòng là một "đường ray yêu cầu" rõ ràng

Đa số ứng dụng phải cân nhắc trước "cần trụ được bao lâu"; viễn thông thì không — thời gian dự phòng thường đã được cơ quan quản lý hoặc tiêu chí thiết kế của nhà mạng ấn định sẵn, là yêu cầu mà phía khách hàng (nhà mạng viễn thông) phải đáp ứng, không phải điều mà nhà cung cấp thiết bị hay dây dẫn có thể chi phối. Đường ray yêu cầu này rõ đến mức nào, chỉ cần xem vài ví dụ công khai:

• FCC (Hoa Kỳ) trong quy định "Ensuring Continuity of 911 Communications" năm 2015 yêu cầu các nhà cung cấp dịch vụ thoại cố định cho hộ gia đình phải cho phép thuê bao mua gói có khả năng dự phòng chờ 8 giờ; sau đó mở rộng thêm tùy chọn 24 giờ (từ 2019-02-13).
• Tùy mức độ quan trọng của nút mạng, mục tiêu thiết kế cho các trạm xương sống dài hơn: tổng đài trung tâm (central office) phục vụ trực tiếp trung tâm tiếp nhận cuộc gọi khẩn cấp (PSAP) thường đặt mục tiêu 24 giờ ở đầy tải, còn các trạm trọng yếu chứa selective router đặt mục tiêu 72 giờ.
• Trạm gốc di động có các dải điển hình của ngành thay đổi theo vị trí (khu đô thị khoảng 2–4 giờ, ngoại ô khoảng 4–6 giờ, địa điểm hẻo lánh khoảng 6–8 giờ).

Điểm mấu chốt không nằm ở con số nào, mà ở chỗ: những số giờ này là yêu cầu cứng, và phương tiện để đạt được gần như cố định — dùng bộ chỉnh lưu chuyển điện lưới thành −48 V một chiều, vừa cấp cho tải vừa nạp đầy một dàn ắc quy; khi mất điện lưới, ắc quy gánh trạm chạy hết số giờ được yêu cầu. Toàn bộ hệ thống nguồn −48 V, về bản chất, tồn tại để đáp ứng đường ray yêu cầu về thời gian dự phòng này. Đó cũng là điểm xuất phát của câu hỏi "máy biến áp cách ly nằm ở đâu". (Thời gian dự phòng là dữ kiện pháp lý/ngành ở phía khách hàng, không phải cam kết giao hàng hay bảo đảm sản phẩm của DAH JIN.)

2. Bên trong bộ chỉnh lưu −48V: PFC → cách ly cao tần → chỉnh lưu và lọc

−48 V là chuẩn thực tế của nguồn một chiều viễn thông: ETSI EN 300 132-2 chính là tiêu chuẩn định nghĩa giao diện đầu vào một chiều −48 V (interface "A") cho thiết bị ICT/viễn thông, điện áp danh định −48 V (một số hệ thống dùng −54 V). Quy ước điện áp âm này có gốc rễ lịch sử (bốn ắc quy 12 V mắc nối tiếp, và nối đất cực dương giúp giảm ăn mòn cáp đồng). Vai trò của bộ chỉnh lưu là chuyển điện lưới AC thành bus −48 V/−54 V được ổn áp chặt chẽ này — như một sản phẩm chỉnh lưu trong ngành mô tả, là "chuyển bất kỳ nguồn AC nào thành −48 V một chiều mà trạm gốc không dây cần".

Một bộ chỉnh lưu kiểu đóng cắt (switch-mode) có thể tách bên trong thành vài tầng, và thứ thực sự ngăn cách phía AC với phía −48 V là một máy biến áp cách ly cao tần nằm trong đó:

• Tầng đầu AC-DC (PFC): hiệu chỉnh hệ số công suất, chỉnh lưu điện lưới và nâng lên thành một bus một chiều cao áp.
• Tầng nghịch lưu cao tần: băm bus một chiều cao áp này thành xoay chiều cao tần, đưa vào máy biến áp cách ly.
• Máy biến áp cách ly: thực hiện cách ly điện giữa sơ cấp/thứ cấp — là hàng rào an toàn tách điện lưới nguy hiểm khỏi phía −48 V (nối tới ắc quy, phân phối, cho tới phạm vi mà nhân viên vận hành có thể chạm vào).
• Chỉnh lưu và lọc thứ cấp: chỉnh lưu, lọc xoay chiều cao tần một lần nữa thành đầu ra −48 V đã ổn áp.

Các thiết kế chỉnh lưu của bên thứ ba cũng xác nhận khung này: lấy tài liệu đào tạo thiết kế bộ chỉnh lưu viễn thông của TI làm ví dụ, 1000 W từ đầu vào AC phổ dụng sang 48 V một chiều, dùng PFC xen kẽ kết hợp DC/DC cầu toàn phần dịch pha (phase-shifted full bridge); tài liệu sáng chế mô tả bộ chỉnh lưu AC-DC cũng là "PFC tạo một chiều cao áp → bộ nghịch lưu tạo xoay chiều cao tần → truyền qua máy biến áp cách ly → chỉnh lưu, lọc rồi cấp cho bus ắc quy −48 V". Dù chi tiết cấu trúc ra sao, giữa sơ cấp/thứ cấp luôn đứng máy biến áp cách ly này, và nó phải đạt cấp cách điện tăng cường (Reinforced) — vì thứ nó ngăn cách là điện lưới có thể gây điện giật cho người, với phía −48 V cấp nguồn cho cả trạm.

3. Máy biến áp cách ly: chỗ mà dây cách điện ba lớp (TIW) khớp vào

Để máy biến áp cách ly này đạt cách điện tăng cường, thiết kế có hai con đường: một là thêm "băng cách điện mép (margin tape) + lớp chắn", nhưng cách này ăn vào bề rộng lõi quấn (bobbin), bóp hẹp không gian quấn dây; hai là dùng thẳng dây cách điện ba lớp. Giá trị của dây cách điện ba lớp nằm đúng ở đây — bản thân nó mang ba lớp cách điện độc lập, chỉ một sợi dây đã đạt cách ly tăng cường trên cuộn dây, khiến chiều dài đường rò (creepage) và khe hở không khí (clearance) giữa cuộn dây với cuộn dây gần như không cần tính đến nữa, cuộn dây có thể quấn sát mép, máy biến áp nhờ đó làm nhỏ hơn và dày đặc hơn. Thực tiễn thiết kế trong ngành nói thẳng: chuyển sang dây cách điện ba lớp là có thể "bỏ băng cách điện mép", và "quy cách chiều dài đường rò và khe hở không khí giữa các cuộn dây không còn áp dụng".

Điểm này đặc biệt có giá trị với bộ chỉnh lưu viễn thông. Mô-đun chỉnh lưu coi trọng mật độ công suất cao và khả năng thay nóng (hot-swap) (mô-đun chỉnh lưu −48 V trong ngành có hiệu suất đỉnh khoảng 96%, hỗ trợ hot insertion); thu nhỏ máy biến áp cách ly là có thể nhét thêm công suất vào cùng một mô-đun, hoặc làm mô-đun mỏng hơn. Vì vậy máy biến áp cách ly này trong bộ chỉnh lưu −48 V là điểm rơi mà dây cách điện ba lớp thực sự khớp vào — khác với một số ứng dụng mà "cuộn công suất chính không dùng TIW đơn sợi", ở đây cần đúng thế mạnh của nó: một sợi dây vượt qua hàng rào cao áp và đạt cách ly tăng cường. Về căn cứ an toàn tương ứng, IEC 62368-1 Annex J chính là phụ lục quy định "dây quấn có cách điện dùng làm cách điện (tăng cường)"; chi tiết điều khoản chỉ nhắc đến mức này, thực tế lấy tài liệu phê duyệt quy cách làm chuẩn.

Bảng dưới đây đối chiếu nhu cầu của tầng này với những gì dây cách điện ba lớp cung cấp (trị số DAH JIN luôn theo tài liệu phê duyệt quy cách):

• Cách ly tăng cường sơ cấp/thứ cấp (điện lưới ↔ phía −48 V) — Dây cách điện ba lớp (TIW) cho gì：Ba lớp cách điện độc lập, một sợi dây đạt cách ly Reinforced；Đối ứng của DAH JIN (theo tài liệu phê duyệt quy cách)：Cả bốn loại đều được đánh giá theo IEC 62368-1 Annex J, Reinforced; điều kiện theo tài liệu phê duyệt quy cách
• Tiết kiệm chiều dài đường rò/khe hở không khí, cuộn dây quấn sát mép, thu nhỏ máy biến áp — Dây cách điện ba lớp (TIW) cho gì：Chiều dài đường rò/khe hở không khí giữa các cuộn dây gần như không áp dụng；Đối ứng của DAH JIN (theo tài liệu phê duyệt quy cách)：Đường kính dây 0.10–1.00 mm (TLW-B7S là dây bện 7 sợi, mỗi sợi 0.10–0.30 mm)
• Cách ly ổn định và có thể chứng nhận khi làm việc ở cao tần — Dây cách điện ba lớp (TIW) cho gì：Đánh giá cách ly tăng cường trong hệ thống công nhận UL/VDE；Đối ứng của DAH JIN (theo tài liệu phê duyệt quy cách)：Cấp chịu nhiệt 130(B); TLW-F là Class F (155 °C), có thêm UL 2353 Reinforced
• Cấp chịu nhiệt tương ứng với nhiệt độ điểm nóng — Dây cách điện ba lớp (TIW) cho gì：Phân cấp độ bền nhiệt của vật liệu (B/F)；Đối ứng của DAH JIN (theo tài liệu phê duyệt quy cách)：Khi áp dụng, tài liệu phê duyệt quy cách xác định mã sản phẩm và dải đường kính dây

4. Điều kiện sơ cấp mà DAH JIN có thể dẫn chiếu và điểm khởi đầu chọn loại (theo tài liệu phê duyệt quy cách)

Khi chọn dây cách điện ba lớp cho máy biến áp cách ly của bộ chỉnh lưu này, thứ DAH JIN có thể cung cấp là một bộ điều kiện chứng nhận cố định, chứ không phải tuyên bố "đã được đưa vào một bộ chỉnh lưu nào đó". Bốn loại DAH JIN cung cấp ra thị trường là TLW-B, TLW-BB, TLW-B7S, TLW-F; tất cả đều nằm trong phạm vi đánh giá IEC 62368-1 Annex J của VDE 40008834 Anlage 200 và được đánh giá cấp tăng cường (Reinforced); điện áp làm việc, điện áp đỉnh và tần số thử nghiệm cụ thể đều theo tài liệu phê duyệt quy cách và chứng chỉ VDE, bài viết không liệt kê lại. Đường kính dây 0.10–1.00 mm (TLW-B7S là dây bện 7 sợi, mỗi sợi 0.10–0.30 mm), cấp chịu nhiệt 130(B); TLW-F là Class F (155 °C) và có thêm UL 2353 Reinforced. Nếu thiết bị cạnh trạm liên quan đến yêu cầu cách ly trong bối cảnh y tế, điều kiện Annex L (IEC 60601-1) 2 MOOP/2 MOPP chỉ gắn với TLW-BB và TLW-B7S, trị số cũng theo tài liệu phê duyệt quy cách.

Lưu ý: DAH JIN là nhà sản xuất (không phải công ty thương mại), có nhà máy riêng tại Guiren, Đài Nam, Đài Loan; địa điểm sản xuất ghi trong hồ sơ UL chính là nhà máy này (sản xuất tại Đài Loan). Khi áp dụng, tài liệu phê duyệt quy cách xác định mã sản phẩm và dải đường kính dây; nếu cần đăng ký theo hệ thống cách điện (EIS) (DJ-130, UL E318181, System Class 130(B), linh kiện gồm TLW-BB và TLW-B7S), cần thêm Authorization Letter (thư ủy quyền).

Bước đầu tiên của việc chọn loại là xác định cấp chịu nhiệt và chủng loại: cách phân nhánh và phạm vi áp dụng giữa cấp B (130 °C) và cấp F (155 °C), xem Hướng dẫn chọn dây cách điện ba lớp; còn "cấp chịu nhiệt của dây" và "cấp chịu nhiệt của hệ thống cách điện/thành phẩm" thuộc hai đăng ký khác nhau, không thể thay thế cho nhau, xem Cấp chịu nhiệt của dây và cấp chịu nhiệt của hệ thống cách điện. Lấy điện áp làm việc thực tế, điện áp đỉnh, tần số thử nghiệm và nhiệt độ điểm nóng của máy biến áp cách ly trong bộ chỉnh lưu, đối chiếu với điều kiện Annex J ghi trong tài liệu phê duyệt quy cách: nằm trong phạm vi thì có thể chọn, bất kỳ hạng mục nào vượt ra ngoài thì cần đánh giá riêng.