광학 모듈용 탑재형 전원공급장치

2024. 3. 8
Visualizing the interaction between electrical signal, optical module, and fibre optics with RECOM's RPZ series in the center
광학 모듈이란 고속 전기 데이터 신호를 광학 신호로, 또는 그 반대로 변환해 주는 트랜시버 장치입니다. 이러한 전기 광학 시스템은 고속 통신 시스템의 핵심적인 구성품으로, 수십 킬로미터에 달하는 매우 멀리 떨어진 거리로 데이터를 전송해도 신호 손실이 적거나, 몇 미터밖에 되지 않는 초단거리로도 전송하되 초당 수백 기가바이트에 달하는 초고속으로 전송할 수 있도록 합니다. 후자의 경우, 전기 데이터 커넥터 케이블의 정전 용량이나 유도 용량으로 인한 손실이나 지연은 허용할 수 없습니다. 이와 같은 광학 통신 시스템은 전기 통신, HPC 데이터 센터, 고속 네트워킹 장비 등 다양한 응용 분야에서 활용되고 있습니다.

그림 1: 광섬유 통신 네트워크의 작동 원리
광학 모듈은 TOSA(Transmitting Optical System Assembly)라고 하는 레이저 다이오드 전송기 시스템과 ROSA(Receiving Optical System Assembly)라고 하는 고속 포토다이오드 수신기로 구성됩니다.

TOSA는 전기 신호를 광학 신호로 변환해 광섬유로 전송할 수 있도록 하고, ROSA는 수신되는 광학 신호를 다시 전기 신호로 변환해줍니다. 광섬유 커넥터 두 개를 연결하면 완전한 이중 통신이 가능합니다(그림 1 참조).



그림 2: 광학 모듈의 예
광학 트랜시버 모듈에는 여러 가지 규격화된 폼 팩터가 있습니다. 예를 들어 SFP(Small Form-factor Pluggable), QSFP(Quad Small Form-factor Pluggable)가 대표적이고, 이외에도 종류가 다양합니다. 이러한 폼 팩터에 따라 모듈의 물리적, 전기적 특징이 달라지고, 호환되는 19인치 랙 어셈블리에서 상호 교환하여 사용할 수 있습니다.

예를 들어 QSFP 모듈의 경우 치수가 높이 8.5mm, 너비 18.35mm, 길이 72.4mm로 정해져 있습니다. 이 콤팩트한 모듈에 광섬유 커넥터, 레이저 다이오드 드라이버, 포토다이오드 증폭기, 디지털 신호 처리 장치, 데이터 커넥터, 탑재형 전원공급장치가 가득 채워져 있습니다.


그림 3: 광학 모듈 전력 트리의 예

바람직한 데이터 전송 속도가 수십 Gbps에서 수백 Gbps까지 늘어남에 따라 레이저 다이오드와 포토다이오드의 광학 성능이 매우 중대한 제한적 요소가 됩니다. 따라서 ROSA와 TOSA에는 반응 시간을 50ps 이하로 가속하기 위한 조정식 바이어스 전원공급장치가 필요하고, 이로 인해 전원공급장치가 더 복잡해집니다.

또한 레이저 다이오드의 광학 속성은 온도에 크게 좌우됩니다. 온도 변동 폭이 ±0.1°C를 넘으면 빛 출력의 파장이 달라지고, 레이저 다이오드 성능이 저해될 수 있습니다. 다이오드 온도를 일정하게 유지하는 한 가지 방법으로 TEC(Thermoelectric Cooling, 열전냉각)를 위해 활성 펠티에 소자를 사용할 수 있습니다.

내부 전원공급장치의 전력 트리가 복잡해져 다양한 탑재형 전압을 공급하려면 DC/DC 컨버터 장치가 여러 대 필요하게 됩니다(그림 3 참조).


그림 4: 소켓과 치수를 포함한 광학 모듈 전력 트리

LDO(Low Drop Out, 저손실) 레귤레이터 대신 DC/DC 컨버터가 필요합니다. 효율성 요건이 높고, 내부 전력 손실로 인한 자체 발열을 가능한 최소 수준으로 유지해야 하기 때문입니다. 광학 모듈의 크기가 작기 때문에 DC/DC 컨버터 높이도 기판의 다른 IC와 같거나 그보다 작아야 합니다. 이것은 실제 컨버터 높이가 2mm 이하로 제한된다는 뜻입니다. 그리고 당연한 말이지만, 메인 PCB의 너비와 길이가 제한되기 때문에 컨버터 풋프린트 또한 최소한 작게 유지해야 합니다. 마지막 제한 사항은 공급 전압이 3.3V DC에 불과하다는 것입니다. 유도체가 내장되어 있고 출력 전류가 높은 콤팩트 DC/DC 컨버터는 대부분 5V 또는 12V DC(4~16V DC)와 같이 높은 공급 전압에서 작동하도록 설계되어 있습니다.

RECOM에서는 이 모든 까다로운 기술적 요구 사항에 부합하는 초소형 DC/DC 컨버터 모듈 RPZ 시리즈를 출시했습니다. RPZ-6.0은 4mm x 6mm x 1.6mm QFN 패키지형 SMD 전원 모듈로, 입력 전압 2.75~7V DC에서 작동하고 최고 6A에서 정격 0.6V~6.65V DC 조절 가능 출력 전압을 제공하며, 변환 효율은 90%입니다. RPZ 차폐형 유도체는 내장형이므로 외부 커패시터와 세트 레지스터만 있으면 완벽한 전원공급장치가 완성됩니다.

RPZ-3.0A 전원 모듈은 이보다 더 작아 2.5 x 3.5mm 풋프린트, 1.6mm 높이에 불과합니다. 이 모델은 0.6~5.5V DC의 조절 가능 출력 전압에서 최고 3A까지 제공합니다. 마지막으로, RPZ-1.0의 경우 초소형 2 x 2mm 풋프린트(선형 레귤레이터와 같은 크기이지만 효율성은 훨씬 우수함)로 0.6~5.25V DC의 조절 가능 출력 전압에서 1A를 제공합니다. RPZ 라인은 전 기종이 단락 방지 처리되어 있습니다.

그림 4는 적절한 소켓을 포함한 광학 모듈 전력 트리 완성본입니다. 전원공급장치 모듈을 장착하려면 PCB와 하우징 사이에 1.6mm의 간격만 있으면 됩니다.

RPZ 시리즈 전체 사양의 요약은 다음과 같습니다.

시리즈 입력 전압 출력 전압 출력 전류 효율
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%

RPZ 전원 모듈은 모두 COT(Constant On-Time) 전류 제어 방식을 사용하기 때문에 피드백 보상 네트워크가 필요 없고, 과도 전류와 매우 낮은 대기 전류에도 초고속으로 부하 조절을 지원합니다. 여기에 단락 방지, 과전류 방지, 과열 방지, 저전압 잠금 기능이 함께 제공되므로 디지털 신호 처리 장치와 정밀 아날로그 증폭기 부하에 모두 전원을 공급하는 데 매우 적합합니다.

앞서 언급했듯이, 광학 모듈의 표준 공급 전압은 3.3V입니다. 이처럼 낮은 전압은 고전력 AC/DC 컨버터에서는 보기 드물기 때문에, 기본 3.3V 버스 공급을 위해 출력 전류가 높은 DC/DC 컨버터가 필요합니다. RECOM에서는 16th Brick(34 x 37mm) 오픈 프레임 DC/DC 컨버터인 RPMGS5.0-20도 제조하고 있습니다. 이 제품은 18~75V DC 공급 장치에서 3.3V DC 전압으로 20A를 제공하여 공업용 24V, 48V 또는 PoE 입력을 사용하거나, 저가 범용 입력 AC/DC 입력 전원공급장치를 사용할 수 있습니다. 예를 들어 RACM90E-48SK를 기본 제공 Class B EMC 필터와 사용 가능합니다(소형 2인치 x 4인치 풋프린트).
용도
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  Series
1 AC/DC, 90.0 W, Single Output, Connector RACM90-K Series
Focus 신규
  • Wide range input: 85-264VAC
  • Operating temperature from -40°C to +90°C
  • OVC III and LPS rated
  • 2MOPP medical certified, B and BF compliant
2 DC/DC, Single Output, PCB Mounting Pins RPMGS-20 Series
Focus
  • 20A non isolated sixteenth brick
  • 18 to 75VDC wide input range
  • 3.3 to 24VDC adjustable output
  • Standard sixteenth brick wide format
3 DC/DC, 2.5 W, Single Output, SMD (pinless) RPZ-0.5 Series
Focus 신규
  • 2.3 - 5.5VDC input range
  • Low profile 1.6mm
  • Ultra-compact footprint 2x2mm
  • Adjustable output 0.6 to 5.375V
4 DC/DC, 2.5 W, Single Output RPZ-0.5-EVM-1 Series
Focus 신규
  • Evaluation platform for RPZ-0.5/1.0 Buck Regulator Module
  • Thermal design considerations included
  • EMI Class B filter
  • Easy evaluation of output voltage selection, control and sensing functions
5 DC/DC, 5.0 W, Single Output, SMD (pinless) RPZ-1.0 Series
Focus 신규
  • 2.3 - 5.5VDC input range
  • Low profile 1.6mm
  • Ultra-compact footprint 2x2mm
  • Adjustable output 0.6 to 5.25V
6 DC/DC, 5.0 W, Single Output RPZ-1.0-EVM-1 Series
Focus 신규
  • Evaluation platform for RPZ-0.5/1.0 Buck Regulator Module
  • Thermal design considerations included
  • EMI Class B filter
  • Easy evaluation of output voltage selection, control and sensing functions
7 DC/DC, 10.0 W, Single Output, SMD (pinless) RPZ-2.0 Series
Focus 신규
  • 2.75 - 6VDC input range
  • Low profile 1.6mm
  • Ultra-compact footprint 2.5x3.5mm
  • Adjustable output 0.6 to 5.74V
8 DC/DC, 10.0 W, Single Output RPZ-2.0-EVM-1 Series
Focus 신규
  • Evaluation platform for RPZ-2.0 Buck Regulator
  • Module
  • Thermal design considerations included
  • EMI Class B filter
9 DC/DC, 15.0 W, Single Output, SMD (pinless) RPZ-3.0A Series
Focus 신규
  • Buck regulator power module with integrated shielded inductor
  • 6V maximum input voltage
  • Programmable 0.6 - 5.5V output voltage
  • 3A maximum output current
10 DC/DC, 15.0 W, Single Output RPZ-3.0A-EVM-1 Series
Focus 신규
  • Evaluation platform for RPZ-3.0A Buck Regulator Module
  • Thermal design considerations included
  • EMI Class B filter
  • Easy evaluation of control, power good, and sensing functions
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