On-Board-Stromversorgungen für optische Module
08.03.2024
Ein optisches Modul ist ein Sende- und Empfangsgerät, das elektrische Hochgeschwindigkeitsdatensignale in optische Signale und vice versa umwandelt. Solche elektrooptischen Systeme sind Schlüsselkomponenten in Hochgeschwindigkeitskommunikationssystemen. Sie ermöglichen die Übertragung von Daten über sehr lange Strecken von bis zu zehn Kilometern mit minimalem Signalverlust oder alternativ über sehr viel kürzere Strecken von wenigen Metern, aber mit sehr hohen Datenraten von Hunderten von Gigabytes pro Sekunde, bei denen die Verluste und Verzögerungen aufgrund der Kapazität und Induktivität von elektrischen Datenverbindungskabeln inakzeptabel wären. Diese optischen Kommunikationssysteme werden in vielen Anwendungen, darunter in der Telekommunikation, in HPC-Datenzentren und Hochgeschwindigkeitsnetzwerken, eingesetzt.
Abb. 1: Funktionsprinzip eines Glasfaserkommunikationsnetzes
Die optischen Module bestehen aus einem optischen Laserdioden-Sendersystem namens TOSA (Transmitting Optical System Assembly) und einem Hochgeschwindigkeits-Fotodioden-Empfänger ROSA (Receiving Optical System Assembly).
Das TOSA wandelt elektrische Signale in optische Signale für die Übertragung über die Glasfaser um, während der ROSA die eingehenden optischen Signale wieder in elektrische Signale umwandelt. Eine Vollduplex-Kommunikation ist möglich, wenn sie mit zwei Glasfaseranschlüssen verbunden wird (Abbildung 1).
Das TOSA wandelt elektrische Signale in optische Signale für die Übertragung über die Glasfaser um, während der ROSA die eingehenden optischen Signale wieder in elektrische Signale umwandelt. Eine Vollduplex-Kommunikation ist möglich, wenn sie mit zwei Glasfaseranschlüssen verbunden wird (Abbildung 1).
Abb. 2: Beispiel eines optischen Moduls
Optische Transceiver-Module gibt es in verschiedenen standardisierten Formfaktoren, wie z.B. Small Form-factor Pluggable (SFP) und Quad Small Form-factor Pluggable (QSFP), und anderen. Diese Formfaktoren definieren die physikalischen und elektrischen Eigenschaften des Moduls und ermöglichen die Austauschbarkeit in kompatiblen 19"-Rack-Baugruppen.
Die Abmessungen des QSFP-Moduls sind beispielsweise auf 8,5mm Höhe, 18,35mm Breite und 72,4mm Länge festgelegt. In diesem kompakten Modul sind die Glasfaseranschlüsse, der Laserdiodentreiber, der Fotodiodenverstärker, der digitale Signalprozessor, der Datenanschluss und die integrierten Netzteile untergebracht.
Die Abmessungen des QSFP-Moduls sind beispielsweise auf 8,5mm Höhe, 18,35mm Breite und 72,4mm Länge festgelegt. In diesem kompakten Modul sind die Glasfaseranschlüsse, der Laserdiodentreiber, der Fotodiodenverstärker, der digitale Signalprozessor, der Datenanschluss und die integrierten Netzteile untergebracht.
Abb. 3: Beispiel eines Leistungsbaums für ein optisches Modul
Da die gewünschten Datenübertragungsraten von einigen zehn Gbit/s auf Hunderte von Gbit/s ansteigen, wird die optische Leistung der Laserdiode und der Fotodiode zu einem kritischen limitierenden Element. Daher müssen ROSA und TOSA über einstellbare Vorspannungsversorgungen verfügen, um die Reaktionszeit auf 50ps oder weniger zu beschleunigen, was das Stromversorgungssystem weiter verkompliziert.
Außerdem sind die optischen Eigenschaften der Laserdiode stark temperaturabhängig: Ändert sich die Temperatur um mehr als ±0,1°C, driftet die Wellenlänge der Lichtleistung, was die Leistung der Laserdiode beeinträchtigen kann. Eine Möglichkeit, die Temperatur der Laserdiode konstant zu halten, ist der Einsatz eines aktiven Peltier-Elements zur thermoelektrischen Kühlung (TEC) erforderlich.
Der Leistungsbaum der internen Stromversorgung wird komplex und erfordert mehrere DC/DC-Wandler, um die verschiedenen benötigten Bordspannungen bereitzustellen (Abbildung 3).
Außerdem sind die optischen Eigenschaften der Laserdiode stark temperaturabhängig: Ändert sich die Temperatur um mehr als ±0,1°C, driftet die Wellenlänge der Lichtleistung, was die Leistung der Laserdiode beeinträchtigen kann. Eine Möglichkeit, die Temperatur der Laserdiode konstant zu halten, ist der Einsatz eines aktiven Peltier-Elements zur thermoelektrischen Kühlung (TEC) erforderlich.
Der Leistungsbaum der internen Stromversorgung wird komplex und erfordert mehrere DC/DC-Wandler, um die verschiedenen benötigten Bordspannungen bereitzustellen (Abbildung 3).
Abb. 4: Leistungsbaum für optische Module mit Anschlüssen und Abmessungen
Es werden DC/DC-Wandlermodule und keine linearen Low-Drop-Out (LDO)-Regler benötigt, weil die Anforderungen an den Wirkungsgrad hoch sind und die Selbsterwärmung durch interne Leistungsverluste auf ein absolutes Minimum beschränkt werden muss. Das kompakte Format der optischen Module bedeutet auch, dass die Höhe der DC/DC-Wandler gleich oder kleiner als die der anderen ICs auf der Board sein muss.
In der Praxis bedeutet dies eine Begrenzung der Höhe der Wandler auf 2mm oder weniger. Und natürlich muss auch der Footprint der Wandler so klein wie möglich sein, da die Haupt-PCB in Breite und Länge begrenzt ist. Eine letzte Einschränkung ist die Versorgungsspannung von nur 3,3VDC. Die meisten kompakten DC/DC-Wandlermodule mit integrierten Induktivitäten und hohen Ausgangsströmen sind für den Betrieb mit einer höheren Versorgungsspannung von 5V oder 12VDC (4-16VDC) ausgelegt.
Um all diese anspruchsvollen technischen Anforderungen zu erfüllen, hat RECOM die RPZ-Serie von Sub-Miniatur-DC/DC-Wandlermodulen herausgebracht. Das RPZ-6.0 ist ein SMD-Leistungsmodul in einem 4mm x 6mm x 1,6mm großen QFN-Gehäuse, das mit einer Eingangsspannung von 2,75 - 7VDC arbeitet und eine geregelte, einstellbare Ausgangsspannung von 0,6V - 6,65VDC bei bis zu 6 Ampere mit einer Umwandlungseffizienz von 90% liefert. Die abgeschirmte RPZ-Induktivität ist integriert, so dass nur externe Kondensatoren und Einstellwiderstände benötigt werden, um ein komplettes Netzteil zu erstellen.
In der Praxis bedeutet dies eine Begrenzung der Höhe der Wandler auf 2mm oder weniger. Und natürlich muss auch der Footprint der Wandler so klein wie möglich sein, da die Haupt-PCB in Breite und Länge begrenzt ist. Eine letzte Einschränkung ist die Versorgungsspannung von nur 3,3VDC. Die meisten kompakten DC/DC-Wandlermodule mit integrierten Induktivitäten und hohen Ausgangsströmen sind für den Betrieb mit einer höheren Versorgungsspannung von 5V oder 12VDC (4-16VDC) ausgelegt.
Um all diese anspruchsvollen technischen Anforderungen zu erfüllen, hat RECOM die RPZ-Serie von Sub-Miniatur-DC/DC-Wandlermodulen herausgebracht. Das RPZ-6.0 ist ein SMD-Leistungsmodul in einem 4mm x 6mm x 1,6mm großen QFN-Gehäuse, das mit einer Eingangsspannung von 2,75 - 7VDC arbeitet und eine geregelte, einstellbare Ausgangsspannung von 0,6V - 6,65VDC bei bis zu 6 Ampere mit einer Umwandlungseffizienz von 90% liefert. Die abgeschirmte RPZ-Induktivität ist integriert, so dass nur externe Kondensatoren und Einstellwiderstände benötigt werden, um ein komplettes Netzteil zu erstellen.
Das RPZ-3.0A Power Modul ist mit einem Footprint von 2,5 x 3,5mm und einer Höhe von 1,6 mm noch kleiner. Es kann bis zu 3A mit einer einstellbaren Ausgangsspannung von 0,6 - 5,5VDC liefern. Der RPZ-1.0 schließlich liefert 1A mit einer einstellbaren Ausgangsspannung von 0,6 - 5,25 VDC bei einem winzigen Footprint von 2 x 2mm (dieselbe Größe wie ein Linearregler, aber mit viel höherer Effizienz). Alle RPZs sind kurzschlussfest.
Der fertige Stromversorgungsbaum für optische Module mit den passenden Steckdosen ist in Abb. 4 dargestellt. Die PCB benötigt nur einen Abstand von 1,6mm zum Gehäuse, um die Stromversorgungsmodule aufzunehmen.
Eine Zusammenfassung aller Spezifikationen der RPZ-Serie finden Sie unten:
| Serie | Eingangsspannung | Ausgangsspannung | Ausgangsstrom | Effizienz |
|---|---|---|---|---|
| RPZ-0.5 | 2.3 – 5.5VDC | 0.6 - 5.375V DC | 0.5A | 88% |
| RPZ-1.0 | 2.3 – 5.5VDC | 0.6 - 5.25VDC | 1A | 88% |
| RPZ-2.0 | 2.75 – 6.0VDC | 0.6 – 5.74VDC | 2A | 90% |
| RPZ-3.0A | 2.75 – 6.0VDC | 0.6 – 5.5VDC | 3A | 92% |
| RPZ-6.0 | 2.75 – 7.0VDC | 0.6 – 6.65VDC | 6A | 90% |
Alle RPZ-Leistungsmodule verwenden ein Stromsteuerungsschema mit konstanter Einschaltdauer (COT), das ein Rückkopplungskompensationsnetzwerk überflüssig macht und eine ultraschnelle Lastregelung auf Transienten und einen sehr niedrigen Ruhestrom ermöglicht. In Kombination mit dem Kurzschlussschutz, dem Überstromschutz, dem Übertemperaturschutz und der Unterspannungsabschaltung sind sie ideal für die Versorgung von digitalen Signalprozessoren und analogen Präzisionsverstärkern.
Wie bereits erwähnt, beträgt die Standard-Versorgungsspannung für optische Module 3,3 V. Diese niedrige Ausgangsspannung ist bei leistungsstarken AC/DC-Wandlern selten, so dass ein DC/DC-Wandler mit hohem Ausgangsstrom für die primäre 3,3V-Busversorgung benötigt wird. RECOM stellt auch den RPMGS5.0-20her, einen Open-Frame-DC/DC-Wandler im Sechzehntel-Brick-Format (34 x 37 mm), der 20 A bei 3,3 VDC aus einer 18-75 VDC-Versorgung liefert. Damit können industrielle 24V-, 48V- oder PoE-Eingänge verwendet werden, oder es können kostengünstige AC/DC-Stromversorgungen mit Universaleingang eingesetzt werden, wie z.B. der RACM90E-48SK mit einem eingebauten EMV-Filter der Klasse B in einem kompakten 2 "x 4"-Footprint.
Anwendungen
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| Serie | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| 1 |
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RACM90-K
Fokus
Neu
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| |
| 2 |
|
RPMGS-20
Fokus
|
|
| |
| 3 |
|
RPZ-0.5
Fokus
Neu
|
|
| |
| 4 |
|
RPZ-0.5-EVM-1
Fokus
Neu
|
|
| |
| 5 |
|
RPZ-1.0
Fokus
Neu
|
|
| |
| 6 |
|
RPZ-1.0-EVM-1
Fokus
Neu
|
|
| |
| 7 |
|
RPZ-2.0
Fokus
Neu
|
|
| |
| 8 |
|
RPZ-2.0-EVM-1
Fokus
Neu
|
|
| |
| 9 |
|
RPZ-3.0A
Fokus
Neu
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|
| |
| 10 |
|
RPZ-3.0A-EVM-1
Fokus
Neu
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