云計算、物聯網和虛擬數據中心對以太網速度的要求越來越高，推動著光收發器市場快速增長。當前的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提供更多功能的同時實現更高效地供電？本設計方案提出一種創新的電源管理系統，能夠以較小的空間高效供電，且滿足下一代光收發器的需求。

光網絡接口
在光網絡接口中，交換機(圖1)和路由器等通信設備彼此相距較遠(數千米)，采用光纖進行連接。交換機或路由器處理信息包，而帶有光纜的收發器接口將接收到的光信號轉換為電信號或由電信號轉換成光信號。


圖1.數據中心網絡交換機上的SFP收發器模塊，連接光纜

光收發器

光纖收發器(圖2)是光纖傳輸網絡的關鍵組件，采用小尺寸設計，集成集成光學組件支持高密度網絡應用。


圖2.用于網絡交換機的光纖吉比特SFP收發器

光收發器模塊(圖3)主要包括發送器光學組件(TOSA)和接收器光學組件(ROSA)。TOSA由激光二極管、光接口、光電監測二極管、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換為差分電壓，供進一步處理。板載DSP/PHY負責通信協議的實施，而微控制器則配置DSP/PHY、光學組件和穩壓器。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電源經過濾波，消除收發器操作產生的電流尖峰。


圖3.光收發器系統

最先進的QSFP-DD光收發器帶寬提升到4倍、小尺寸且可插拔，有8種功率等級。等級越高，支持的數據率越高、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，最遠鏈路距離300m；7級：峰值功率為14W、峰值電流為5.6A時，預計可支持400Gbps，傳輸距離長達2km。8級功率最高(>14W、6A穩態電流)。

收發器電源

圖4所示收發器電源網絡標出了DSP/PHY數字、模擬和PLL供電電壓的典型電流和電壓范圍，由多路輸出穩壓器(TRIPLEBUCK)供電。光學接口(激光驅動器、TIA、ROSA、TOSA)由1路穩壓器(BUCK)供電。微控制器(MICRO)輸入直接由3.3V供電。buck轉換器必須具有高效率，以確保輸入電源保持在模塊對應等級的功率范圍。


圖4.收發器電源網絡

多相結構
對于數字電路供電電源，要求高達8A峰值電流，兩相錯相工作的同步buck轉換器是最佳方案，如圖5所示。


圖5.兩相錯相工作的Buck轉換器

兩相交錯可確保降低紋波電流，進而降低電壓紋波。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°錯相調節器紋波電流，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

兩相結構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，當兩種架構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，藍色表示)效率更高。如果單相開關頻率為雙相開關頻率(fSW)的兩倍，單相架構也能實現高頻、低電流紋波，但開關損耗較大。兩種方法在一個周期內具有相同數量的跳變，但是兩相轉換器消耗的電流為單相轉換器的一半(持續時間為兩倍)，從而降低開關損耗。


圖8.兩相電流與單相電流波形對照

兩相轉換器的另一優勢是在負載發生階躍期間具有快速瞬態響應和較低的電壓過沖/下沖。由于每相電流減少一半、電流紋波減小、紋波頻率加倍，現在可將相位切換頻率提高，進一步減小元件尺寸，提高轉換器的閉環帶寬，而不會達到器件的過熱門限。
最終，當總負載電流增大時，無源元件的尺寸也增大。對于重載，單相buck轉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，確保最優的外部元件尺寸。

單相至4相、1-4路輸出、可配置Buck轉換器，輸出電流高達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、大電流驅動、buck(降壓)轉換器。高效、較小的PCB方案尺寸、高輸出電壓精度、快速瞬態響應和快速串口使得該器件成為光收發器應用中DSP/PHY供電的理想選擇。靈活的架構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)。

單芯片處理器系統電源
通過選擇正確的配置，單片IC即可為圖3所示光收發器的DSP/PHY供電。圖9中，2+1+1配置可為DSP/PHY數字、模擬及PLL部分供電。


圖9.MAX778122+1+1應用圖

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10A的電流范圍。


圖10.兩相工作效率

得益于兩相結構，即使在極低占空比下也可實現高效率(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5A的電流范圍。


圖11.單相DC-DC效率

輸出電壓設置
通過串行接口，能夠以5mV步長對輸出電壓進行編程。為微處理器供電時，精調功能能夠最大程度降低輕載工作時的功率損耗。默認輸出電壓由工廠OTP(一次可編程)設定，可通過更新輸出電壓設置寄存器將其屏蔽，即使在使能輸出之前即可實現。

啟動和關斷排序
MAX77812允許設置各相的啟動和關斷延遲時間。各相之間的啟動和關斷延時可在0至62ms(32級)范圍內選擇。該功能省去了外部電源順序控制器，節省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，便于實現微小的PCB外形尺寸。可編程限流值根據系統實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轉換器(78.75mm2)

高效、超小尺寸、單相Buck轉換器
圖4所示單相buck轉換器可采用圖13所示應用電路實現。


圖13.單相Buck轉換器

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保持90%以上的效率。


圖14.單相Buck轉換器效率

應用電路占據最少的面積，如圖15所示。WLP技術和較小的無源元件，最后得到的PCB尺寸只有7mm2。


圖15.單相Buck轉換器PCB(6.89mm2)

總結

我們討論了光收發器在各級QSFP-DD設備中的最大功率約束條件下以及高速傳輸所帶來的挑戰。Maxim的高效率、小尺寸、單相至四相、單路至四路輸出、大電流驅動Buck調節器是高速光收發器模塊供電的理想選擇。轉換器的靈活架構允許用戶靈活配置每相電路，很容易適應技術指標的變化，加快設計進程以及質量認證和產品上市時間。文中提出了單相、小尺寸、高效buck轉換器作為示例，為光接口供電。

術語
DSP：數字信號處理器
PHY：物理層。物理層負責不同設備之間的位級傳輸，支持連接到物理介質的電氣或機械接口，實現同步通信。
PLL：鎖相環
QSFP-DD：四倍帶寬、小尺寸、可插拔、雙密度。
ROSA：接收器光學組件
SFP：小尺寸、可插拔
TIA：互阻放大器
TOSA：發送器光學組件

WLP：晶圓級封裝

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