小體積電源在光模塊里的應(yīng)用指導(dǎo)

Abstract

本文基于光模塊標準和需求出發(fā)，介紹了TI多款小體積電源產(chǎn)品在光模塊里的應(yīng)用及其在光模塊應(yīng)用場景下的注意事項。

Contents

1..... 光模塊簡介........................................................................................................................................... 2

2..... 光模塊電源方案介紹............................................................................................................................ 4

3..... 小體積電源方案應(yīng)用指導(dǎo)(1)................................................................................................................ 5

4..... 小體積電源方案應(yīng)用指導(dǎo)(2)................................................................................................................ 8

5..... 結(jié)論.................................................................................................................................................... 10

6.... 參考文獻.............................................................................................................................................. 10

 Figures

Figure 1. 光模塊外觀......................................................................................................... 2

Figure 2. 光口和電口......................................................................................................... 2

Figure 3. 主機側(cè)管腳分布圖(top view) ..........................................................................3

Figure 4. SFP+ 模塊電接口.............................................................................................. 3

Figure 5. 光模塊系統(tǒng)框圖……………………………………………………………………….........…..........…4

Figure 6. 400G DR4系統(tǒng)電源樹…………………………………………………………………....................…4

Figure 7. 模塊合規(guī)測試板................................................................................................. 5

Figure 8. SFP+模塊供電需求............................................................................................ 6

Figure 9. VCCT/VCCR的瞬態(tài)和持續(xù)峰值電流定義..................................................... 6

Figure 10. TPS22964典型電路......................................................................................... 7

Figure 11. VCCT/R瞬間上電對應(yīng)的瞬態(tài)電流 ……………………………………………………………7

Figure 12. TPS62825A的最簡電路  …………………………………………………………………...…...…8

Figure 13. TPS62825A的layout實例........................................................................... 8

Figure 14. TPSM82822的最簡電路  ……………………………………………………………………9

Figure 15. TPS62825A的layout實例 ……………………………………………………………………9

1. 光模塊簡介

光模塊(Optical module)是光電和電光轉(zhuǎn)換的光電子器件，見圖1，其包括發(fā)射和接收部分，發(fā)射部分是將電信號通過驅(qū)動芯片處理后驅(qū)動半導(dǎo)體激光器或者發(fā)光二極管發(fā)射出相應(yīng)速率的調(diào)制光信號，而接收部分是將一定碼率的光信號由光探測二極管轉(zhuǎn)換為電信號。

圖1：光模塊外觀

從對外接口來看，俠義上的光模塊包括兩個端口, 電口和光口，見圖 2。

圖2: 光口和電口

光模塊主要從兩個方面進行分類，封裝形式和速率。封裝形式包括SFP, SFP+, QSFP28, QSFPDD 等，速率上包括：10G, 25G, 50G, 100G, 200G, 400G, 800G等。

本文將主要基于電口介紹相關(guān)電源應(yīng)用。光模塊電口的管腳定義見圖3[1]，此處以SFP+模塊為例。PIN1/PIN17/PIN20 VeeT是指模塊發(fā)射端地，PIN11/PIN14/PIN17 VeeR是指模塊接收端地，PIN15/PIN16 VccR/VccT是指模塊接收端、發(fā)射端電源3.3V。

圖3. 主機側(cè)管腳分布圖(top view)

實際的電口的外形見下圖4[1]，其是以金手指的形式存在。我們可以看到Vee地管腳略長于Vcc 3.3V管腳，而Vcc管腳略長于信號管腳。所以在光模塊插入系統(tǒng)板的過程中，模塊的大地會最先接觸到系統(tǒng)地，然后電源Vcc 3.3V連接到系統(tǒng)板，最后才是信號線連接到系統(tǒng)板。

圖4. SFP+ 模塊電接口

2. 光模塊電源方案的介紹

光模塊系統(tǒng)中包含了多個功能器件，如MCU/ODSP, CDR, LDD, LA 等等。其系統(tǒng)框圖見圖5，基本上涵蓋了系統(tǒng)內(nèi)的信號流走向。

圖5. 光模塊系統(tǒng)框圖

這些電子元器件的供電都是來自于系統(tǒng)供電3.3V，根據(jù)不同的器件規(guī)格需求，可能需要到load switch, Buck, Buck-boost, LDO等等。

以400G DR4系統(tǒng)為例，需要支持單波100G的應(yīng)用，其核心器件是ODSP，基于此，其可能用到的電源器件包括，load switch，buck，buck-boost等等。其電源樹見圖6。

圖6. 400G DR4系統(tǒng)電源樹

由于光模塊的體積要求，我們一般主推小體積、高效率的電源方案。

首先，load switch主推TPS22964，可以支持3A持續(xù)電流，體積小至1.4*0.9； 如果對于Rdson有更高的要求，推薦使用TPS22970，Rdson可以低至4.7mohm，支持4A持續(xù)電流；如果需要支持電流監(jiān)控，推薦使用TPS2597x，可以支持7A持續(xù)電流，體積也小至2*2。

其次，降壓芯片我們主推TPS62824/5/6/7A系列，完全p2p，可以支持1A/2A/3A/4A，或者對應(yīng)的電源模塊TPSM82821/2/3 (1A/2A/3A)，基本上可以滿足光模塊的大部分需求；如果Vcore有更高的電流需求，還可以考慮使用TPS62864/6或者電源模塊TPSM82864/6, 可以完全滿足高達4A/6A電源需求；如果系統(tǒng)的VCO/PLL對于紋波有更高的要求，我們主推TPS62913，可以支持3A電流輸出，同時輸出的ripple可以低至10uVrms，滿足PLL時鐘對于電源紋波的要求。

由于光模塊系統(tǒng)中部分芯片可能會有供電電壓范圍的要求，可能不滿足3.3V+/-10%的拉偏要求，此處可能會有升降壓芯片的需求。對于500mA的電流輸出需求，我們推薦使用TPS63050；更高的電流需求，推薦使用TPS63802/TPS63810。

3. 小體積電源方案應(yīng)用指導(dǎo)(1)

基于前節(jié)關(guān)于光模塊架構(gòu)的分析，首先在輸入端需要使用load switch，且需要支持hot swap的功能。光模塊在熱插拔的過程，如前所述，模塊地對應(yīng)的金手指會最先與系統(tǒng)側(cè)連接起來，其次是模塊的3.3V供電電源會連接到系統(tǒng)側(cè)，最后才是信號線連接到系統(tǒng)側(cè)。

針對標準光模塊的應(yīng)用，標準里規(guī)定了模塊合規(guī)測試板，見圖7[2]，也就是可以將模塊直接插入到圖7所示的電路中模擬系統(tǒng)側(cè)供電。從圖7我們可以看到，3.3V系統(tǒng)電會通過Π型電路連接到模塊VccT/VccR管腳上，同時我們可以看到系統(tǒng)側(cè)包含了snubber電路。

圖7. 模塊合規(guī)測試板

基于光模塊SFF-8419的Power Level III標準要求[3]，其瞬態(tài)峰值電流不能超過800mA，持續(xù)電流不能超過660mA, 持續(xù)時間不能超過50us。

圖8. SFP+模塊供電需求

瞬態(tài)和持續(xù)峰值電流定義定義[4]見圖9。

圖9. VCCT/VCCR的瞬態(tài)和持續(xù)峰值電流定義

下面以TPS22964為例，其典型應(yīng)用電路[5]見圖10。根據(jù)TPS22964 datasheet，建議Cin大于Cout, Cin的推薦值為1uf, Cout的推薦值為0.1uf。主要考慮的出發(fā)點是一旦開啟load switch內(nèi)的開關(guān)，那么Cin會給Cout充電，如果Cin大于Cout，可以避免Vin有電壓下跌。

圖10. TPS22964典型電路

可是，在實際應(yīng)用中，如果有1uf的輸入電容，那么在熱插拔應(yīng)用場景下，由于插入的速率不同，會導(dǎo)致VCCT/R的上電速率有快慢的區(qū)別，一旦上電速率過快，就會導(dǎo)致VCCCT/R的瞬態(tài)電流超過或者接近系統(tǒng)要求。

基于1uf輸入電容的電路，通過快速插入SFP+模塊，我們可以看到VCC瞬態(tài)電流會達到669mA, 見圖11。雖然此處沒有超過標準要求，但是已經(jīng)很接近800mA的極值要求，且考慮到極端情況，此處已經(jīng)無法滿足系統(tǒng)要求。

圖11. VCCT/R瞬間上電對應(yīng)的瞬態(tài)電流

如果把Cin去掉的話，那么此處基本上不存在熱插拔導(dǎo)致的瞬態(tài)電流。

基于前端合規(guī)測試板電路，考慮到系統(tǒng)側(cè)有Π型電路且在輸出端口有輸出電容來保證系統(tǒng)側(cè)能提供足夠的能量給光模塊，保證3.3V能夠正常建立。所以TPS22964在實際應(yīng)用中為了避免熱插拔導(dǎo)致的高瞬態(tài)電流，可以將輸入電容去掉。

4. 小體積電源方案應(yīng)用指導(dǎo)(2)

目前在光模塊的應(yīng)用場景中，我們主推TPS62824/5/6/7A系列或者模塊TPSM82821/2/3以及TPS62864/6或者TPSM82864/6。針對這些器件，此處會對其布板面積進行一個說明。以TPS62825A(2A)為例，考慮使用最簡電路[6]，見圖12，其包括4.7uf的輸入電容，470uH電感（此處以IHLP1212AEERR47為例，1212 package(3.0mm*3.0mm)），10uf的輸出電容，以及R1/R2分壓電阻和120pf前饋電容。

圖12. TPS62825A的最簡電路

考慮電感選擇1212 package(3.0mm*3.0mm)的情況下，PCB板使用兩層板進行設(shè)計，其體積依然可以小至33mm^2，見圖13。如果能選擇更小封裝的470nH的電感，比如DFE201610E - R47M（2.0*1.6）,那么總面積可以進一步減小。

圖13. TPS62825A的layout實例

如果考慮更小體積的需求，建議考慮直接使用電源模塊TPSM82821/2/3 (1A/2A/3A)。下面以TPSM82822為例，考慮使用其最簡電路[7]，見圖14，包括，4.7uf輸入電容，22uf輸出電容，以及R/R2分壓電阻和C4前饋電容。

圖14. TPSM82822的最簡電路

同樣基于兩層板進行設(shè)計，輸出電容22uf選擇0603 package（0.6*0.3）的情況下，最終的整體面積可以優(yōu)化到24mm^2，見圖15。相對于上面的分離方案，面積可以進一步減小27%。

圖15. TPS62825A的layout實例

所以基于不同的應(yīng)用場景，我們可以選擇集成電感的電源模塊TPSM82821/2/3 (1A/2A/3A) /TPSM82864/6A(4A/6A), 或者不集成電感的電源芯片TPS62824/5/6/7A和TPS62864/6。

5. 結(jié)論

本文詳細介紹了光模塊的結(jié)構(gòu)以及電源需求，由此推薦使用TI的小體積電源器件，包括load switch, buck, buck-boost等等。同時，也基于實際場景需求，對于load switch的應(yīng)用電路有一些實際建議，而對于buck電路，可以基于實際面積的需求選擇對應(yīng)的集成電感的模塊電源或者不集成電感的電源器件。

6. 參考文獻

SFF-8419 Specification for SFP+ Power and Low Speed Interface, Rev 1.3;

Page 30, SFF-8419 Specification for SFP+ Power and Low Speed Interface, Rev 1.3

Page 9, SFF-8419 Specification for SFP+ Power and Low Speed Interface, Rev 1.3

Page 10, SFF-8419 Specification for SFP+ Power and Low Speed Interface, Rev 1.3

TPS22964 datasheet, https://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps22964c.pdf

TPS62825A datasheet, https://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps62825a.pdf

TPSM82822 datasheet, https://www.ti.com/lit/ds/symlink/tpsm82822.pdf