小體積電源在光模塊里的應用指導

Abstract

本文基于光模塊標準和需求出發，介紹了TI多款小體積電源產品在光模塊里的應用及其在光模塊應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..... 小體積電源方案應用指導(1)................................................................................................................ 5

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

5..... 結論.................................................................................................................................................... 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. 主機側管腳分布圖(top view) ..........................................................................3

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

Figure 5. 光模塊系統框圖……………………………………………………………………….........…..........…4

Figure 6. 400G DR4系統電源樹…………………………………………………………………....................…4

Figure 7. 模塊合規測試板................................................................................................. 5

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

Figure 9. VCCT/VCCR的瞬態和持續峰值電流定義..................................................... 6

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

Figure 11. VCCT/R瞬間上電對應的瞬態電流 ……………………………………………………………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)是光電和電光轉換的光電子器件，見圖1，其包括發射和接收部分，發射部分是將電信號通過驅動芯片處理后驅動半導體激光器或者發光二極管發射出相應速率的調制光信號，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電源應用。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、發射端電源3.3V。

圖3. 主機側管腳分布圖(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板的過程中，模塊的大地會最先接觸到系統地，然后電源Vcc 3.3V連接到系統板，最后才是信號線連接到系統板。

圖4. SFP+ 模塊電接口

2. 光模塊電源方案的介紹

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

圖5. 光模塊系統框圖

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

以400G DR4系統為例，需要支持單波100G的應用，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持續電流；如果需要支持電流監控，推薦使用TPS2597x，可以支持7A持續電流，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. 小體積電源方案應用指導(1)

基于前節關于光模塊架構的分析，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，模塊地對應的金手指會最先與系統側連接起來，其次是模塊的3.3V供電電源會連接到系統側，最后才是信號線連接到系統側。

針對標準光模塊的應用，標準里規定了模塊合規測試板，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側供電。從圖7我們可以看到，3.3V系統電會通過Π型電路連接到模塊VccT/VccR管腳上，同時我們可以看到系統側包含了snubber電路。

圖7. 模塊合規測試板

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

圖8. SFP+模塊供電需求

瞬態和持續峰值電流定義定義[4]見圖9。

圖9. VCCT/VCCR的瞬態和持續峰值電流定義

下面以TPS22964為例，其典型應用電路[5]見圖10。根據TPS22964 datasheet，建議Cin大于Cout, Cin的推薦值為1uf, Cout的推薦值為0.1uf。主要考慮的出發點是一旦開啟load switch內的開關，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，在實際應用中，如果有1uf的輸入電容，那么在熱插拔應用場景下，由于插入的速率不同，會導致VCCT/R的上電速率有快慢的區別，一旦上電速率過快，就會導致VCCCT/R的瞬態電流超過或者接近系統要求。

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，但是已經很接近800mA的極值要求，且考慮到極端情況，此處已經無法滿足系統要求。

圖11. VCCT/R瞬間上電對應的瞬態電流

如果把Cin去掉的話，那么此處基本上不存在熱插拔導致的瞬態電流。

基于前端合規測試板電路，考慮到系統側有Π型電路且在輸出端口有輸出電容來保證系統側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在實際應用中為了避免熱插拔導致的高瞬態電流，可以將輸入電容去掉。

4. 小體積電源方案應用指導(2)

目前在光模塊的應用場景中，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. 結論

本文詳細介紹了光模塊的結構以及電源需求，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