光モジュール用オンボード電源
2024/03/08
光モジュールは、高速電気データ信号を光信号に、またはその逆に変換するトランシーバデバイスです。このような電気光学システムは、高速通信システムにおける鍵となるコンポーネントで、信号の損失を最小限に抑えつつ数十キロメートルにも及ぶ長距離データ伝送、あるいは数メートルの短距離での毎秒数百ギガバイトという非常に高速なデータ伝送を実現します。ここでの電気データコネクタケーブルの静電容量やインダクタンスに起因する損失や遅延は許容できません。これらの光通信システムは、電気通信、HPCデータセンター、高速ネットワーキング機器など、多岐にわたるアプリケーションで利用されています。
図1：光ファイバー通信ネットワークの運用原理
光モジュールは、TOSA（Transmitting Optical System Assembly）と呼ばれるレーザーダイオード光送信システムと、ROSA（Receiving Optical System Assembly）と呼ばれる高速フォトダイオード受信機から構成されています。
TOSAは電気信号を光ファイバーを通じて送信するために光信号に変換し、ROSAは受け取った光信号を電気信号に戻します。2つの光ファイバーコネクタを接続することで全二重通信が可能になります（図1）。
TOSAは電気信号を光ファイバーを通じて送信するために光信号に変換し、ROSAは受け取った光信号を電気信号に戻します。2つの光ファイバーコネクタを接続することで全二重通信が可能になります（図1）。
図2：光モジュールの例
光トランシーバモジュールには、SFP（Small Form-factor Pluggable）やQSFP（Quad Small Form-factor Pluggable）など、さまざまな標準化されたフォームファクタがあります。これらのフォームファクタはモジュールの物理的および電気的特性を定義し、互換性のある19インチラックアセンブリで交換可能性を実現しています。
例えば、QSFPモジュールの寸法は、高さ8.5mm、幅18.35mm、長さ72.4mmに設定されています。このコンパクトなモジュールの内部には、光ファイバーコネクタ、レーザーダイオードドライバ、フォトダイオードアンプ、デジタルシグナルプロセッサ、データコネクタ、およびオンボード電源が収められています。
例えば、QSFPモジュールの寸法は、高さ8.5mm、幅18.35mm、長さ72.4mmに設定されています。このコンパクトなモジュールの内部には、光ファイバーコネクタ、レーザーダイオードドライバ、フォトダイオードアンプ、デジタルシグナルプロセッサ、データコネクタ、およびオンボード電源が収められています。
図3：光モジュールパワーツリーの例
求められるデータレートが数十Gbpsから数百Gbpsへと増加するにつれて、レーザーダイオードとフォトダイオードの光学性能が重大な制限要素となります。そのため、ROSAとTOSAは反応時間を50ps以下に加速するために調整可能なバイアス電源を必要とし、電源システムをさらに複雑にします。
さらに、レーザーダイオードの光学特性は温度に強く依存しています。温度が±0.1°C以上変化すると、光出力の波長が変動し、レーザーダイオードの性能に悪影響を与える可能性があります。レーザーダイオードの温度を一定に保つ1つの方法は、熱電冷却（TEC）のためにアクティブペルチェ素子を使用することです。
内部電源のパワーツリーは複雑になり、必要なさまざまなオンボード電圧を提供するために複数のDC/DCコンバータデバイスが必要になります（図3）。
さらに、レーザーダイオードの光学特性は温度に強く依存しています。温度が±0.1°C以上変化すると、光出力の波長が変動し、レーザーダイオードの性能に悪影響を与える可能性があります。レーザーダイオードの温度を一定に保つ1つの方法は、熱電冷却（TEC）のためにアクティブペルチェ素子を使用することです。
内部電源のパワーツリーは複雑になり、必要なさまざまなオンボード電圧を提供するために複数のDC/DCコンバータデバイスが必要になります（図3）。
図4：ソケット付き光モジュールパワーツリーと寸法
効率要件が高く、内部電力損失による自己発熱を最小限に抑える必要があるため、低ドロップアウト（LDO）リニアレギュレータよりも、DC/DCコンバータモジュールが必要とされます。コンパクトな光モジュールのサイズ形式は、DC/DCコンバータの高さをボード上の他のICと同じか、それよりも低く保つ必要があることも意味します。
実際には、これはコンバータの高さ制限が2mm以下であることを意味しています。そしてもちろん、メインPCBの幅と長さに制限があるため、コンバータの設置面積もできるだけ小さくなければなりません。そして最後の制限は、供給電圧が3.3V DCしかないということです。統合インダクタと高出力電流を備えた最もコンパクトなDC/DCコンバータモジュールは、5Vまたは12V DC（4～16V DC）のより高い電源電圧で動作するように設計されています。
これらの厳しい技術要件をすべて満たすために、RECOMは超小型DC/DCコンバータモジュールのRPZシリーズをリリースしました。RPZ-6.0は、4mm x 6mm x 1.6mm QFNパッケージのSMDパワーモジュールで、2.75～7V DCの入力電圧で動作し、90%の変換効率で最大6アンペアで安定化された0.6V – 6.65V DCの調整可能な出力を供給します。RPZシールドインダクタが統合されているため、完全な電源を形成するには外付けコンデンサと設定抵抗のみが必要です。
実際には、これはコンバータの高さ制限が2mm以下であることを意味しています。そしてもちろん、メインPCBの幅と長さに制限があるため、コンバータの設置面積もできるだけ小さくなければなりません。そして最後の制限は、供給電圧が3.3V DCしかないということです。統合インダクタと高出力電流を備えた最もコンパクトなDC/DCコンバータモジュールは、5Vまたは12V DC（4～16V DC）のより高い電源電圧で動作するように設計されています。
これらの厳しい技術要件をすべて満たすために、RECOMは超小型DC/DCコンバータモジュールのRPZシリーズをリリースしました。RPZ-6.0は、4mm x 6mm x 1.6mm QFNパッケージのSMDパワーモジュールで、2.75～7V DCの入力電圧で動作し、90%の変換効率で最大6アンペアで安定化された0.6V – 6.65V DCの調整可能な出力を供給します。RPZシールドインダクタが統合されているため、完全な電源を形成するには外付けコンデンサと設定抵抗のみが必要です。
RPZ-3.0Aパワーモジュールはさらに小型で、設置面積は2.5 x 3.5mm、高さは1.6mmです。0.6～5.5V DCの調整可能な出力電圧で最大3Aを供給できます。最後に、RPZ-1.0は、2 x 2mmという小さな設置面積で、0.6～5.25V DCの調整可能な出力電圧で1Aを供給できます（リニアレギュレータと同じサイズですが、効率ははるかに高くなります）。すべてのRPZは短絡防止機能を備えています。
適切なソケットを備えた完全な光モジュールパワーツリーを図4に示します。電源モジュールを収容するために、PCBがハウジングとの間に必要とする隙間は、1.6mmのみです。
RPZシリーズの全仕様の概要を以下に示します。
| シリーズ | 入力電圧 | 出力電圧 | 出力電流 | 効率 |
|---|---|---|---|---|
| RPZ-0.5 | 2.3～5.5V DC | 0.6～5.375V DC | 0.5A | 88% |
| RPZ-1.0 | 2.3～5.5V DC | 0.6～5.25V DC | 1A | 88% |
| RPZ-2.0 | 2.75～6.0V DC | 0.6～5.74V DC | 2A | 90% |
| RPZ-3.0A | 2.75～6.0V DC | 0.6～5.5V DC | 3A | 92% |
| RPZ-6.0 | 2.75～7.0V DC | 0.6～6.65V DC | 6A | 90% |
すべてのRPZパワーモジュールは、コンスタントオンタイム（COT）電流制御方式を使用しているため、フィードバック補償ネットワークの必要がなく、瞬時負荷変動への超高速負荷レギュレーションと非常に低い静止電流を実現します。これに短絡保護、過電流保護、過熱保護、低電圧ロックアウトを組み合わせると、デジタル信号プロセッサと高精度アナログアンプ負荷の両方に電力を供給するのに理想的です。
前述の通り、光モジュールの標準供給電圧は3.3Vです。この低出力電圧は高出力AC/DCコンバータでは珍しいため、主要な3.3Vバス供給用に高出力電流DC/DCコンバータが必要です。RECOMはまた、18～75V DC電源から3.3V DCで20Aを供給する16分の1ブリックサイズ（34 x 37mm）のオープンフレームDC/DCコンバータ「RPMGS5.0-20」を製造しており、これは産業用24V、48V、PoE入力の利用を可能にします。また、コンパクトな2インチx4インチの設置面積にクラスBのEMCフィルタを内蔵したRACM90E-48SKのような、低コストのユニバーサル入力AC/DC電源も使用できます。
アプリケーション
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| Series | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| 1 |
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RACM90-K
Focus
New
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| 2 |
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RPMGS-20
Focus
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| 3 |
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RPZ-0.5
Focus
New
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| 4 |
|
RPZ-0.5-EVM-1
Focus
New
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|
| |
| 5 |
|
RPZ-1.0
Focus
New
|
|
| |
| 6 |
|
RPZ-1.0-EVM-1
Focus
New
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|
| |
| 7 |
|
RPZ-2.0
Focus
New
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| |
| 8 |
|
RPZ-2.0-EVM-1
Focus
New
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|
| |
| 9 |
|
RPZ-3.0A
Focus
New
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| 10 |
|
RPZ-3.0A-EVM-1
Focus
New
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