TI解決方案助力高速光模塊市場，提供高集成度，更小封裝電源解決方案
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（一） 高速光模塊的市場概況
近些年，高速光模塊市場迎來快速增長。5G基建建設(shè)的持續(xù)推進和互聯(lián)網(wǎng)時代數(shù)據(jù)市場的需求爆發(fā)持續(xù)刺激著對50G/100G/200G/400G高速光模塊的需求。全球100G/200G/400G的光模塊在未來3到5年預(yù)計會以30%的CAGR持續(xù)增長。
圖1 高速光模塊的市場出貨量（Y16-Y22F）
5G基站建設(shè)架構(gòu)從RRU+BBU進化到AAU+CU+DU推動出前傳光模塊，中傳光模塊及回傳光模塊市場需求：
1.前傳光模塊主要使用在AAU到DU之間的光信號傳輸，集中在25G和50G的高速光模塊。前傳光模塊的市場需求量相比于后兩者更大，在未來四年預(yù)計有48Mu的市場需求量。
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)計在未來四年的總市場需求量在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，有著最高的信號速率要求，集中于100G，200G及400G，未來四年的市場需求在7Mu。
圖2 5G基站建設(shè)的整體架構(gòu)
數(shù)據(jù)中心市場對高速光模塊的需求在僅幾年也持續(xù)提高。得益于兩點：
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)中心的進化：大大增加了數(shù)據(jù)中心內(nèi)部交換連接點的數(shù)量，對應(yīng)提高了對高速光模塊的數(shù)量需求；
圖3 數(shù)據(jù)中心架構(gòu)演進
2.互聯(lián)網(wǎng)時代加成云計算云存儲概念，持續(xù)點燃著數(shù)據(jù)中心的建設(shè)。我國數(shù)據(jù)中心數(shù)量也從2012年的1萬個到如今的7.4萬個，已建成的超大型、大型數(shù)據(jù)中心數(shù)量占比達到12.7%。數(shù)據(jù)中心市場的持續(xù)升溫也同樣刺激著高速光模塊的市場需求。
（二）TI電源及信號鏈解決方案助力光模塊小體積布板設(shè)計
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鏈芯片時，往往會使設(shè)計受限于Layout。TI提供完整的高速光模塊供電鏈路供工程師設(shè)計參考使用。具體參考如下框圖：
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鏈產(chǎn)品解決方案。我們將從如下4個主要的功能大塊做詳細介紹：
1.激光發(fā)射器驅(qū)動器（LDD）供電單元：
針對于不同廠家的激光發(fā)射器驅(qū)動器的供電電壓的不同，在此處的電源方案設(shè)計分為兩種不同的拓?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。較高開關(guān)頻率的DC/DC芯片可以降低對電路設(shè)計時外圍功率電感的感量和最大不飽和電流值的要求，進而提高整個布板效率。同時高開關(guān)頻率的DCDC電源芯片對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。高開關(guān)頻率的轉(zhuǎn)換器芯片可以有效降低電感尺寸進而精進占板面積。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，不僅在精進占板面積上有更優(yōu)質(zhì)的表現(xiàn)，同時在降低EMI，簡化設(shè)計上為工程師提供便捷。
表1 TI適用于LDD驅(qū)動方案的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 | 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) | 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) | 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) |
Buck-Boost電源解決方案適用于一些激光發(fā)射器驅(qū)動芯片供電電壓大于3.3V的情況。TI提供高開關(guān)頻率的Buck-Boost芯片：TPS61099B。
TPS61099B是一顆即使在輕載下仍然通過強制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的最大開關(guān)節(jié)點電流限制，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。通過少量的外圍無源元件即可實現(xiàn)。
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)計中，MCU的功耗往往相對較低，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。在50G及以上的高速光模塊中，尤其是對于更多通道更遠傳輸距離的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，還會加入FPGA單元提高數(shù)據(jù)的處理能力。這時，3A及以上的Buck降壓芯片往往被工程師所采用?；谀壳笆占膶╇婋娫吹囊?，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)動單元
雪崩光電二極管(Avalanche Photon Diode, APD)常在需要進行遠距傳輸?shù)墓饽K中在接收端的光電信號轉(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吸收后會形成光電流，加大反向偏壓會產(chǎn)生雪崩（光電流成倍激增）的現(xiàn)象。同時利用了載流子的雪崩倍增效應(yīng)來放大光電信號以提高檢測的靈敏度。APD往往需要大于35V的高壓進行驅(qū)動。TI提供集成有非同步升壓及電流鏡的TPS61391以驅(qū)動高壓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)動芯片?？梢詫⒔鹗种柑峁┑?.3v的端口電壓最大升壓到85V。800mA的開關(guān)節(jié)點電流值可以保證在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)測自動無縫切換。700KHz的開關(guān)頻率使得在外部電感設(shè)計的過程中，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，占板面積相對較小。
同時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，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)型光信號的接收。
如下是TPS61391的典型電路應(yīng)用：
圖6 TPS61391典型電路應(yīng)用
4.EML激光發(fā)射器驅(qū)動電路：
EML激光發(fā)射器的驅(qū)動電路對于激光器電光信號轉(zhuǎn)換的質(zhì)量起到了重要的作用。針對于EML激光器，工程師在設(shè)計過程中主要涉及到EA負(fù)壓驅(qū)動、恒電流光功率控制、TEC控制。
針對于TEC控制，TI提供通過Buck-boost芯片實現(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，同時整體方案仍能保持在90%。TI提供的參考設(shè)計TIDA-050017為參考解決方案，以TPS63802/TPS63805為核心，通過數(shù)字化的溫度PID控制以實現(xiàn)對EML激光器的恒溫控制。
圖7 基于TPS63802的TIA溫度控制設(shè)計
針對于多通道高速光模塊中EA負(fù)壓驅(qū)動及恒流光功率控制，TI最新推出了一款高集成度的EML激光器驅(qū)動及監(jiān)測芯片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)動電流，VDAC可以最大可以實現(xiàn)-5V到0V或0V到+5V的輸出電壓范圍。同時，AMC60804也內(nèi)置一個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個通道的ADC采樣，以實現(xiàn)部分光模塊客戶需求的LOS檢測功能。ADC通道檢測的結(jié)果可以通過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)計布板時的難度。AMC60804是一顆專門用于EML激光器驅(qū)動及監(jiān)測的芯片，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)手冊以及用于EVM調(diào)試的上位機軟件AMC60804-EVM。
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的市場情況，同時匯總了TI德州儀器高密度電源及信號鏈解決方案，囊括了光模塊硬件設(shè)計工程師主要會用到的幾個關(guān)鍵電源的設(shè)計。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放單元，負(fù)載開關(guān)單元及多通道小封裝的DAC/ADC芯片，同時會詳細更新本文提到的基于Buck-boost開關(guān)型芯片的TEC控制，AMC60804的詳細使用以及多種不同的單通道負(fù)壓供電方案。
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