云計算、物聯(lián)網(wǎng)和虛擬數(shù)據(jù)中心對以太網(wǎng)速度的要求越來越高，推動著光收發(fā)器市場快速增長。當(dāng)前的10Gbps、40Gbps和100Gbps模塊市場將很快被200Gbps和400Gbps模塊超越。隨著速度的提高，光收發(fā)器模塊的功耗勢必增大，同時其外形尺寸需要保持不變。這就給模塊設(shè)計工程師帶來巨大壓力，要求其使用低功耗、高度集成的芯片。那么如何在狹小空間內(nèi)提供更多功能的同時實(shí)現(xiàn)更高效地供電？本設(shè)計方案提出一種創(chuàng)新的電源管理系統(tǒng)，能夠以較小的空間高效供電，且滿足下一代光收發(fā)器的需求。
光網(wǎng)絡(luò)接口
在光網(wǎng)絡(luò)接口中，交換機(jī)(圖1)和路由器等通信設(shè)備彼此相距較遠(yuǎn)(數(shù)千米)，采用光纖進(jìn)行連接。交換機(jī)或路由器處理信息包，而帶有光纜的收發(fā)器接口將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號或由電信號轉(zhuǎn)換成光信號。
圖1.數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)上的SFP收發(fā)器模塊，連接光纜
光收發(fā)器
光纖收發(fā)器(圖2)是光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵組件，采用小尺寸設(shè)計，集成集成光學(xué)組件支持高密度網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。
圖2.用于網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的光纖吉比特SFP收發(fā)器
光收發(fā)器模塊(圖3)主要包括發(fā)送器光學(xué)組件(TOSA)和接收器光學(xué)組件(ROSA)。TOSA由激光二極管、光接口、光電監(jiān)測二極管、金屬和/或塑料外殼、電氣接口組成；ROSA由光電二極管、光接口、金屬和/或塑料外殼、電氣接口組成。互阻放大器(TIA)將光電二極管的電流轉(zhuǎn)換為差分電壓，供進(jìn)一步處理。板載DSP/PHY負(fù)責(zé)通信協(xié)議的實(shí)施，而微控制器則配置DSP/PHY、光學(xué)組件和穩(wěn)壓器。模塊電路由板載電源供電，該電源采用來自于主板的VCC(3.3V)作為輸入。3.3V電源經(jīng)過濾波，消除收發(fā)器操作產(chǎn)生的電流尖峰。
圖3.光收發(fā)器系統(tǒng)
最先進(jìn)的QSFP-DD光收發(fā)器帶寬提升到4倍、小尺寸且可插拔，有8種功率等級。等級越高，支持的數(shù)據(jù)率越高、電纜距離越長。舉例說明，1級：峰值功率為1.5W、峰值電流為600mA時，通常可支持40Gbps速率，最遠(yuǎn)鏈路距離300m；7級：峰值功率為14W、峰值電流為5.6A時，預(yù)計可支持400Gbps，傳輸距離長達(dá)2km。8級功率最高(>14W、6A穩(wěn)態(tài)電流)。
收發(fā)器電源
圖4所示收發(fā)器電源網(wǎng)絡(luò)標(biāo)出了DSP/PHY數(shù)字、模擬和PLL供電電壓的典型電流和電壓范圍，由多路輸出穩(wěn)壓器(TRIPLEBUCK)供電。光學(xué)接口(激光驅(qū)動器、TIA、ROSA、TOSA)由1路穩(wěn)壓器(BUCK)供電。微控制器(MICRO)輸入直接由3.3V供電。buck轉(zhuǎn)換器必須具有高效率，以確保輸入電源保持在模塊對應(yīng)等級的功率范圍。
圖4.收發(fā)器電源網(wǎng)絡(luò)
多相結(jié)構(gòu)
對于數(shù)字電路供電電源，要求高達(dá)8A峰值電流，兩相錯相工作的同步buck轉(zhuǎn)換器是最佳方案，如圖5所示。
圖5.兩相錯相工作的Buck轉(zhuǎn)換器
兩相交錯可確保降低紋波電流，進(jìn)而降低電壓紋波。每相工作頻率較低時，可獲得較低的總紋波電流。例如，圖6所示占空比為33%時的兩路180°錯相調(diào)節(jié)器紋波電流，與2倍工作頻率的單相方案相比，總紋波電流幅值降低一半。高頻下的低輸出電流紋波和電壓紋波意味著輸出可以使用更小電容，從而降低BOM。
圖6.較低的兩相電流紋波時間曲線
兩相結(jié)構(gòu)所需的輸入電容也更少。總輸入電流為兩路錯相電流之和(圖7中的IIN1和IIN2)。此時，與單相操作相比，將總輸入電流分散在整個時間內(nèi)可降低輸入電流的總RMS值，允許使用較小輸入濾波電容。
圖7.兩相輸出紋波電流及輸出電流時間曲線
此外，當(dāng)兩種架構(gòu)的輸出紋波頻率相同時，如圖8所示，兩相(2Φ，紅色表示)比單相(1Φ，藍(lán)色表示)效率更高。如果單相開關(guān)頻率為雙相開關(guān)頻率(fSW)的兩倍，單相架構(gòu)也能實(shí)現(xiàn)高頻、低電流紋波，但開關(guān)損耗較大。兩種方法在一個周期內(nèi)具有相同數(shù)量的跳變，但是兩相轉(zhuǎn)換器消耗的電流為單相轉(zhuǎn)換器的一半(持續(xù)時間為兩倍)，從而降低開關(guān)損耗。
圖8.兩相電流與單相電流波形對照
兩相轉(zhuǎn)換器的另一優(yōu)勢是在負(fù)載發(fā)生階躍期間具有快速瞬態(tài)響應(yīng)和較低的電壓過沖/下沖。由于每相電流減少一半、電流紋波減小、紋波頻率加倍，現(xiàn)在可將相位切換頻率提高，進(jìn)一步減小元件尺寸，提高轉(zhuǎn)換器的閉環(huán)帶寬，而不會達(dá)到器件的過熱門限。
最終，當(dāng)總負(fù)載電流增大時，無源元件的尺寸也增大。對于重載，單相buck轉(zhuǎn)換器的電感可能非常大、效率低下。多相操作可減小每相電流，確保最優(yōu)的外部元件尺寸。
單相至4相、1-4路輸出、可配置Buck轉(zhuǎn)換器，輸出電流高達(dá)20A
舉例說明，圖9所示為可配置的單相至四相、單路至四路輸出、大電流驅(qū)動、buck(降壓)轉(zhuǎn)換器。高效、較小的PCB方案尺寸、高輸出電壓精度、快速瞬態(tài)響應(yīng)和快速串口使得該器件成為光收發(fā)器應(yīng)用中DSP/PHY供電的理想選擇。靈活的架構(gòu)支持用戶可選擇的相路配置，例如4相(1路四相輸出)、3+1(兩路輸出：1路三相、1路單相)、2+2(兩路兩相輸出)、2+1+1(三路輸出：1路兩相、2路單相)和1+1+1+1(4路單相輸出)。
單芯片處理器系統(tǒng)電源
通過選擇正確的配置，單片IC即可為圖3所示光收發(fā)器的DSP/PHY供電。圖9中，2+1+1配置可為DSP/PHY數(shù)字、模擬及PLL部分供電。
圖9.MAX778122+1+1應(yīng)用圖
高效
器件的2相效率曲線如圖10所示(0.22μH、2520電感)，覆蓋高達(dá)10A的電流范圍。
圖10.兩相工作效率
得益于兩相結(jié)構(gòu)，即使在極低占空比下也可實(shí)現(xiàn)高效率(低VOUT)。
器件的單相效率曲線如圖11所示(0.22μH、2520電感)，覆蓋高達(dá)5A的電流范圍。
圖11.單相DC-DC效率
輸出電壓設(shè)置
通過串行接口，能夠以5mV步長對輸出電壓進(jìn)行編程。為微處理器供電時，精調(diào)功能能夠最大程度降低輕載工作時的功率損耗。默認(rèn)輸出電壓由工廠OTP(一次可編程)設(shè)定，可通過更新輸出電壓設(shè)置寄存器將其屏蔽，即使在使能輸出之前即可實(shí)現(xiàn)。
啟動和關(guān)斷排序
MAX77812允許設(shè)置各相的啟動和關(guān)斷延遲時間。各相之間的啟動和關(guān)斷延時可在0至62ms(32級)范圍內(nèi)選擇。該功能省去了外部電源順序控制器，節(jié)省BOM成本和空間。
小尺寸
由于采用64焊球、0.4mm焊距WLP封裝，并可使用小尺寸電感和電容，便于實(shí)現(xiàn)微小的PCB外形尺寸�？删幊滔蘖髦蹈鶕�(jù)系統(tǒng)實(shí)際要求最大程度地減小電感尺寸。圖12所示PCB占位面積只有79mm2。
圖12.小尺寸PCB2+1+1Buck轉(zhuǎn)換器(78.75mm2)
高效、超小尺寸、單相Buck轉(zhuǎn)換器
圖4所示單相buck轉(zhuǎn)換器可采用圖13所示應(yīng)用電路實(shí)現(xiàn)。
圖13.單相Buck轉(zhuǎn)換器
1.8V輸出時的效率曲線如圖14所示，該方案在絕大部分工作范圍之內(nèi)保持90%以上的效率。
圖14.單相Buck轉(zhuǎn)換器效率
應(yīng)用電路占據(jù)最少的面積，如圖15所示。WLP技術(shù)和較小的無源元件，最后得到的PCB尺寸只有7mm2。
圖15.單相Buck轉(zhuǎn)換器PCB(6.89mm2)
總結(jié)
我們討論了光收發(fā)器在各級QSFP-DD設(shè)備中的最大功率約束條件下以及高速傳輸所帶來的挑戰(zhàn)。Maxim的高效率、小尺寸、單相至四相、單路至四路輸出、大電流驅(qū)動Buck調(diào)節(jié)器是高速光收發(fā)器模塊供電的理想選擇。轉(zhuǎn)換器的靈活架構(gòu)允許用戶靈活配置每相電路，很容易適應(yīng)技術(shù)指標(biāo)的變化，加快設(shè)計進(jìn)程以及質(zhì)量認(rèn)證和產(chǎn)品上市時間。文中提出了單相、小尺寸、高效buck轉(zhuǎn)換器作為示例，為光接口供電。
術(shù)語
DSP：數(shù)字信號處理器
PHY：物理層。物理層負(fù)責(zé)不同設(shè)備之間的位級傳輸，支持連接到物理介質(zhì)的電氣或機(jī)械接口，實(shí)現(xiàn)同步通信。
PLL：鎖相環(huán)
QSFP-DD：四倍帶寬、小尺寸、可插拔、雙密度。
ROSA：接收器光學(xué)組件
SFP：小尺寸、可插拔
TIA：互阻放大器
TOSA：發(fā)送器光學(xué)組件
WLP：晶圓級封裝
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