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TI解決方案助力高速光模塊市場(chǎng),提供高集成度,更小封裝電源解決方案

作者: 時(shí)間:2021-12-30 來(lái)源:電子產(chǎn)品世界 收藏


本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/202112/430658.htm

(一)  高速光模塊的市場(chǎng)概況

近些年,高速光模塊市場(chǎng)迎來(lái)快速增長(zhǎng)。5G基建建設(shè)的持續(xù)推進(jìn)和互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代數(shù)據(jù)市場(chǎng)的需求爆發(fā)持續(xù)刺激著對(duì)50G/100G/200G/400G高速光模塊的需求。全球100G/200G/400G的光模塊在未來(lái)3到5年預(yù)計(jì)會(huì)以30%的CAGR持續(xù)增長(zhǎng)。

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圖1 高速光模塊的市場(chǎng)出貨量(Y16-Y22F)

5G基站建設(shè)架構(gòu)從RRU+BBU進(jìn)化到AAU+CU+DU推動(dòng)出前傳光模塊,中傳光模塊及回傳光模塊市場(chǎng)需求:

1.前傳光模塊主要使用在AAU到DU之間的光信號(hào)傳輸,集中在25G和50G的高速光模塊。前傳光模塊的市場(chǎng)需求量相比于后兩者更大,在未來(lái)四年預(yù)計(jì)有48Mu的市場(chǎng)需求量。

2.中傳光模塊主要應(yīng)用在DU和CU之間的光電信號(hào)轉(zhuǎn)換。這一部分的數(shù)據(jù)量更大,中傳光模塊主要集中在50G和100G的高速光模塊,預(yù)計(jì)在未來(lái)四年的總市場(chǎng)需求量在16Mu。

3.回傳光模塊主要應(yīng)用于CU與承載網(wǎng)服務(wù)器之間,有著最高的信號(hào)速率要求,集中于100G,200G及400G,未來(lái)四年的市場(chǎng)需求在7Mu。

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圖2 5G基站建設(shè)的整體架構(gòu)

數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)對(duì)高速光模塊的需求在僅幾年也持續(xù)提高。得益于兩點(diǎn):

1.傳統(tǒng)三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)式服務(wù)器架構(gòu)向葉脊架構(gòu)數(shù)據(jù)中心的進(jìn)化:大大增加了數(shù)據(jù)中心內(nèi)部交換連接點(diǎn)的數(shù)量,對(duì)應(yīng)提高了對(duì)高速光模塊的數(shù)量需求;

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圖3 數(shù)據(jù)中心架構(gòu)演進(jìn)

2.互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代加成云計(jì)算云存儲(chǔ)概念,持續(xù)點(diǎn)燃著數(shù)據(jù)中心的建設(shè)。我國(guó)數(shù)據(jù)中心數(shù)量也從2012年的1萬(wàn)個(gè)到如今的7.4萬(wàn)個(gè),已建成的超大型、大型數(shù)據(jù)中心數(shù)量占比達(dá)到12.7%。數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)的持續(xù)升溫也同樣刺激著高速光模塊的市場(chǎng)需求。

(二)TI電源及信號(hào)鏈解決方案助力光模塊小體積布板設(shè)計(jì)

光模塊產(chǎn)品本身體積較小,工程師在使用體積較大的電源及信號(hào)鏈芯片時(shí),往往會(huì)使設(shè)計(jì)受限于Layout。TI提供完整的高速光模塊供電鏈路供工程師設(shè)計(jì)參考使用。具體參考如下框圖:

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圖4 TI參考推薦高速光模塊供電軌方案

從金手指的3.3V接口供電到各個(gè)光模塊內(nèi)的不同應(yīng)用單元,TI都提供了不同類型的超小封裝電源及信號(hào)鏈產(chǎn)品解決方案。我們將從如下4個(gè)主要的功能大塊做詳細(xì)介紹:

1.激光發(fā)射器驅(qū)動(dòng)器(LDD)供電單元:

針對(duì)于不同廠家的激光發(fā)射器驅(qū)動(dòng)器的供電電壓的不同,在此處的電源方案設(shè)計(jì)分為兩種不同的拓?fù)漕愋停築uck電源解決方案和Buck-boost電源解決方案。較普遍的供電電流需求在小于3A。較高開(kāi)關(guān)頻率的DC/DC芯片可以降低對(duì)電路設(shè)計(jì)時(shí)外圍功率電感的感量和最大不飽和電流值的要求,進(jìn)而提高整個(gè)布板效率。同時(shí)高開(kāi)關(guān)頻率的DCDC電源芯片對(duì)輸出電流的紋波抑制也有較高的抑制作用。

Buck電源解決方案匯總?cè)缦隆I提供兩種不同類型的Buck芯片:轉(zhuǎn)換器芯片及電源模塊。高開(kāi)關(guān)頻率的轉(zhuǎn)換器芯片可以有效降低電感尺寸進(jìn)而精進(jìn)占板面積。而集成度更高的電源模塊產(chǎn)品將電感及部分輸入輸出電容集成,不僅在精進(jìn)占板面積上有更優(yōu)質(zhì)的表現(xiàn),同時(shí)在降低EMI,簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)上為工程師提供便捷。

表1 TI適用于LDD驅(qū)動(dòng)方案的buck產(chǎn)品選型表


TPS6280x

TPS62825/6/7

TPSM82821

TPSM82822

TPSM82823

TPS82084

TPS82085

Module or Convert

Convert

Convert

Module

Module

Package

0.70×   1.05 mm

WCSP

1.5   x 2 mm QFN
  1.5 x 1.5 mm QFN

2.0   x 2.5 x 1.1mm

uSIP

2.8   x 3.0 x 1.3mm

Micro SIP

Solution size

5mm2

36   mm2 (*822)
  31 mm2 (*825)

22-29mm2

35mm2

fSW

1.5   MHz

2.2   MHz

4MHz

2.4MHz

VIN range

VOUT range

Iout(max)

1.8V   to 5.0V

0.4V   to 3.3V

0.6A

2.4V to 5.5V

ADJ:0.6V to 4.0V

2A/3A

2.4V to 5.5V

ADJ:0.6V to 4.0V

1A/2A/3A pin2pin

2.5V to 6V

ADJ:0.8V to Vin

2A/3A pin2pin

Efficiency (peak)

96%

97%   (5V to 3.3V)
93% (3.3V to 1.2V)

95%

95%

IQ

2.3   μA

4   μA

4uA

17uA

VOUT discharge

Yes

Yes

Yes

Yes

1ku price

as in TI.com

$0.36

$0.41

$0.90   (1-A)

$1.00   (2-A)

$1.05   (2-A)

$1.20   (3-A)

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Buck-Boost電源解決方案適用于一些激光發(fā)射器驅(qū)動(dòng)芯片供電電壓大于3.3V的情況。TI提供高開(kāi)關(guān)頻率的Buck-Boost芯片:TPS61099B。

TPS61099B是一顆即使在輕載下仍然通過(guò)強(qiáng)制PWM控制方案以保證在全負(fù)載范圍內(nèi)都能很好的抑制輸出電源的高頻紋波。3MHz的開(kāi)關(guān)頻率及1.23 x 0.88mmWCSP的封裝極大的減小了整體電源方案的布板面積。1A的最大開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電流限制,適用于電流需求小于1A的絕大部分應(yīng)用。如下是TPS61099B的典型應(yīng)用電路。通過(guò)少量的外圍無(wú)源元件即可實(shí)現(xiàn)。

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圖5 TPS61099B典型電路應(yīng)用

2.PAM4DSP或者主MCU供電單元:

傳統(tǒng)的10G及10G以下的光模塊設(shè)計(jì)中,MCU的功耗往往相對(duì)較低,采用3A及以下的Buck降壓芯片可以滿足供電電源的參數(shù)設(shè)計(jì)。在50G及以上的高速光模塊中,尤其是對(duì)于更多通道更遠(yuǎn)傳輸距離的LR4/ER4等高速光模塊,往往不僅要采用功耗更高的PAM4-DSP控制芯片,還會(huì)加入FPGA單元提高數(shù)據(jù)的處理能力。這時(shí),3A及以上的Buck降壓芯片往往被工程師所采用?;谀壳笆占膶?duì)供電電源的要求,TI提供如下電源解決方案供光模塊硬件工程師選擇:

表2 TI適用于PAM4DSP 或主MCU的buck產(chǎn)品選型表


TPS62088

TPS62864/66

TPS82130

TPS82140

TPS82150

TPSM82480

Module or Convert

Convert

Convert

Module

Module

Package

0.8   x 1.2

WCSP

1.05x1.78 mm

WCSP

3.0   x 2.8 x 1.5mm

MicroSiPTM

8   x 3.7 x 1.5mm

QFM(MOP)

Solution   size

12mm2

NA

NA

64   mm2

fSW

4.0   MHz

2.4 MHz

2.2MHz

3MHz

VIN range

VOUT range

Iout(max)

2.4V   to 5.5V

0.6V   to 4.0V

3A

2.4-5.5V

0.4-1.15V

4A/6A pin2pin

3   - 17V

0   – Vin

3/2/1A   pin2pin

2.4   – 5.5V

0.6   - 5V

6A

Efficiency (peak)

95%

90%

95%

90%

95%

IQ

4   μA

4   μA

20uA

23uA

VOUT discharge

Yes

Yes

Yes

Yes

1ku price

as of April 1st 2020

$0.51

0.68$(4A)

0.87$(6A)

1.35$(3A)

2.25$

3.APD高壓驅(qū)動(dòng)單元

雪崩光電二極管(Avalanche Photon Diode, APD)常在需要進(jìn)行遠(yuǎn)距傳輸?shù)墓饽K中在接收端的光電信號(hào)轉(zhuǎn)換中被使用。在光電二極管的PN結(jié)上加上反向偏壓后,射入的光被PN吸收后會(huì)形成光電流,加大反向偏壓會(huì)產(chǎn)生雪崩(光電流成倍激增)的現(xiàn)象。同時(shí)利用了載流子的雪崩倍增效應(yīng)來(lái)放大光電信號(hào)以提高檢測(cè)的靈敏度。APD往往需要大于35V的高壓進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。TI提供集成有非同步升壓及電流鏡的TPS61391以驅(qū)動(dòng)高壓APD。

TPS61391是一顆集成非同步升壓轉(zhuǎn)換器及電流鏡電路的APD驅(qū)動(dòng)芯片??梢詫⒔鹗种柑峁┑?.3v的端口電壓最大升壓到85V。800mA的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電流值可以保證在85V的高壓輸出情況下仍然能提供10mA的驅(qū)動(dòng)電流值。內(nèi)置的1:5和4:5的電流鏡可以根據(jù)不同精度的電流監(jiān)測(cè)自動(dòng)無(wú)縫切換。700KHz的開(kāi)關(guān)頻率使得在外部電感設(shè)計(jì)的過(guò)程中,即使在占空比較小的情況下也能有效的控制電感體積。TPS61391的封裝是3x3的QFN封裝,占板面積相對(duì)較小。

同時(shí)TI也推出了TPS61390以應(yīng)用在低速PON光模塊。在內(nèi)置與TPS61391相同規(guī)格的非同步升壓轉(zhuǎn)換器和電流鏡電路的同時(shí),繼續(xù)集成采樣保持電路,以適應(yīng)FTTH典型網(wǎng)絡(luò)中突發(fā)型光信號(hào)的接收。

如下是TPS61391的典型電路應(yīng)用:

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圖6 TPS61391典型電路應(yīng)用

4.EML激光發(fā)射器驅(qū)動(dòng)電路:

EML激光發(fā)射器的驅(qū)動(dòng)電路對(duì)于激光器電光信號(hào)轉(zhuǎn)換的質(zhì)量起到了重要的作用。針對(duì)于EML激光器,工程師在設(shè)計(jì)過(guò)程中主要涉及到EA負(fù)壓驅(qū)動(dòng)、恒電流光功率控制、TEC控制。

針對(duì)于TEC控制,TI提供通過(guò)Buck-boost芯片實(shí)現(xiàn)TEC控制,相比于傳統(tǒng)的H橋控制模式,方案占板面積更小,成本更低,同時(shí)整體方案仍能保持在90%。TI提供的參考設(shè)計(jì)TIDA-050017為參考解決方案,以TPS63802/TPS63805為核心,通過(guò)數(shù)字化的溫度PID控制以實(shí)現(xiàn)對(duì)EML激光器的恒溫控制。

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圖7 基于TPS63802的TIA溫度控制設(shè)計(jì)

針對(duì)于多通道高速光模塊中EA負(fù)壓驅(qū)動(dòng)及恒流光功率控制,TI最新推出了一款高集成度的EML激光器驅(qū)動(dòng)及監(jiān)測(cè)芯片AMC60804。如下是AMC60804的內(nèi)部系統(tǒng)框圖。AMC60804內(nèi)部集成有4路IDAC、4路VDAC以及12路ADC。IDAC可以提供從0到150mA的驅(qū)動(dòng)電流,VDAC可以最大可以實(shí)現(xiàn)-5V到0V或0V到+5V的輸出電壓范圍。同時(shí),AMC60804也內(nèi)置一個(gè)12通道的ADC。4路ADC采樣IDAC的端口電壓值,4路ADC采樣VDAC的引腳電流值,AMC60804仍外置出4個(gè)通道的ADC采樣,以實(shí)現(xiàn)部分光模塊客戶需求的LOS檢測(cè)功能。ADC通道檢測(cè)的結(jié)果可以通過(guò)AMC60804內(nèi)置的寄存器去讀寫。AMC6084的封裝是僅有2.5 x 2.5mm的WCSP封裝,極大的優(yōu)化了多通道高速光模塊在設(shè)計(jì)布板時(shí)的難度。AMC60804是一顆專門用于EML激光器驅(qū)動(dòng)及監(jiān)測(cè)的芯片,目前已經(jīng)量產(chǎn),工程師可以在TI官網(wǎng)上找到完整的數(shù)據(jù)手冊(cè)以及用于EVM調(diào)試的上位機(jī)軟件AMC60804-EVM。

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圖8 AMC60804的典型框圖

(三)本文小結(jié)

本文介紹了高速光模塊近年來(lái)的市場(chǎng)情況,同時(shí)匯總了TI德州儀器高密度電源及信號(hào)鏈解決方案,囊括了光模塊硬件設(shè)計(jì)工程師主要會(huì)用到的幾個(gè)關(guān)鍵電源的設(shè)計(jì)。后續(xù)將持續(xù)更新光模塊相關(guān)專題,匯總在光模塊應(yīng)用中可能使用到的運(yùn)放單元,負(fù)載開(kāi)關(guān)單元及多通道小封裝的DAC/ADC芯片,同時(shí)會(huì)詳細(xì)更新本文提到的基于Buck-boost開(kāi)關(guān)型芯片的TEC控制,AMC60804的詳細(xì)使用以及多種不同的單通道負(fù)壓供電方案。



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