光模块的板载电源

2024-3-8

Visualizing the interaction between electrical signal, optical module, and fibre optics with RECOM's RPZ series in the center

光模块是一种收发器设备，可将高速电数据信号转换为光信号，反之亦然。这种电光系统是高速通信系统中的关键组件，数据能够以最小的信号损失传输长达数十公里的距离，或者以每秒数百千兆字节的高数据速率传输几米的距离，其中电子数据连接线的电容和电感引起的损失和延迟往往无法接受。这些光通信系统广泛应用于多种领域，包括电信、高性能计算 (HPC) 数据中心和高速网络设备。

光模块由激光二极管光学发射系统（即 TOSA，传输光系统组件）和高速光电二极管接收器（即 ROSA，接收光系统组件）组成。

TOSA 将电信号转换为光信号，以通过光纤进行传输，而 ROSA 则将接受到的光信号再转换回电信号。当使用两个光纤连接器（图 1）连接时，可以实现全双工通信。

Operating principle of a fiber-optic communications network — 图 1：光纤通信网络的工作原理

光收发器模块有各种标准化形状，如小型可插拔 (SFP) 和四通道小型可插拔 (QSFP) 等。这些形状定义了模块的物理和电气特性，并可在兼容的 19 英寸机架组件中进行互换。

例如，QSFP 模块尺寸设置为 8.5 mm 高、18.35 mm 宽和 72.4 mm 长。在这一紧凑模块中，集成了光纤连接器、激光二极管驱动器、光电二极管放大器、数字信号处理器、数据连接器和板载电源。

随着所需数据速率从数十千兆比特每秒增加到数百千兆比特每秒，激光二极管和光电二极管的光学性能成为关键的限制条件，因此 ROSA 和 TOSA 需要具有可调节的偏置电源，以将反应时间加速到 50 ps 或更低，从而进一步增加了电源系统的复杂性。

Optical module power tree — 图 3：光模块电源树示例

此外，激光二极管的光学特性强烈依赖于温度——如果温度变化超过 ±0.1°C，光输出的波长将会漂移，可能会损害激光二极管的性能。保持激光二极管温度恒定的一种方法是使用有源珀耳帖元件进行热电制冷 (TEC)。

内部电源的电源树变得复杂，需要几个 DC/DC 转换器设备来提供所需的各种板载电压（图 3）。

需要 DC/DC 转换器模块而非低压差 (LDO) 线性稳压器是因为效率要求高，并且必须将内部功率损耗引起的自热降到最低。紧凑型光模块尺寸还意味着 DC/DC 转换器的高度必须与板上其他 IC 的高度相同或更低。

实际上，这意味着转换器高度限制为 2 mm 或更低。当然，转换器的尺寸也必须尽可能小巧，因为主 PCB 的宽度和长度受到限制。最后一个限制是电源电压仅为 3.3 VDC。大多数具有集成电感器和高输出电流的紧凑型 DC/DC 转换器模块设计用于在 5 V 或 12 VDC（4-16 VDC）的较高电源电压下工作。

Optical module power tree with sockets and dimensions — 图 4：带插座和尺寸的光模块电源树

为了满足所有这些苛刻的技术要求，RECOM 推出了 RPZ 系列超小型 DC/DC 转换器模块。RPZ-6.0 是一款 SMD 电源模块，采用 4 mm x 6 mm x 1.6 mm QFN 封装，可在 2.75–7 VDC 输入电压范围内工作，并提供 0.6 V 至 6.65 VDC 的稳压输出，最高输出电流可达 6 A，转换效率达到 90%。RPZ 已集成屏蔽电感器，因此只需要外部电容器和设定电阻器就可以构成完整的电源。

RPZ-3.0A 电源模块甚至更小，尺寸为 2.5 x 3.5 mm，高度为 1.6 mm，可提供高达 3 A 的输出电流，并且输出电压可在 0.6 至 5.5 VDC 之间调节。最后，RPZ-1.0 可以提供 1 A 输出电流，输出电压可在 0.6 至 5.25 VDC 之间调节，尺寸为 2 x 2 mm（与线性稳压器大小相同，但效率高得多）。所有 RPZ 产品均可防止短路故障。

带有合适插座的完整光模块电源树如图 4 所示。PCB 与外壳之间仅需要 1.6 mm 的间隙即可容纳电源模块。

所有 RPZ 系列规格的摘要如下所示：

系列	输入电压	输出电压	输出电流	效率
RPZ-0.5	2.3 – 5.5 VDC	0.6 - 5.375 VDC	0.5 A	88%
RPZ-1.0	2.3 – 5.5 VDC	0.6 - 5.25 VDC	1 A	88%
RPZ-2.0	2.75 – 6.0 VDC	0.6 – 5.74 VDC	2 A	90%
RPZ-3.0A	2.75 – 6.0 VDC	0.6 – 5.5 VDC	3 A	92%
RPZ-6.0	2.75 – 7.0 VDC	0.6 – 6.65 VDC	6 A	90%

所有 RPZ 电源模块都采用恒定导通时间 (COT) 电流控制方案，无需反馈补偿网络，并能实现对瞬态的超快速负载调节以及极低的静态电流。这一点，加上短路保护、过电流保护、过温保护和欠压锁定功能，使其成为数字信号处理器和精密模拟放大器负载的理想电源。

如前所述，光模块的标准供电电压为 3.3 V。这种低输出电压在高功率 AC/DC 转换器中很少见，因此需要一个高输出电流的 DC/DC 转换器为主 3.3 V 总线供电。RECOM 还生产 RPMGS5.0-20，这是一种十六分之一砖型（34 x 37 mm）开放式框架 DC/DC 转换器，输入电压范围为 18 至 75 VDC，并能够在 3.3 VDC 电压下提供最高 20 A 电流，支持工业 24 V、48 V 或 PoE 输入，或可使用低成本的通用输入 AC/DC 电源，例如具有内置 B 级 EMC 滤波器、尺寸仅为 2”x4”的紧凑型 RACM90E-48SK。

应用

	系列
1	RACM90-K 重点新	宽输入电压范围：85-264 VAC 工作温度范围为 -40°C 至 +90°C	OVC III 和 LPS 等级通过 2MOPP 医疗认证，符合 B 和 BF 标准	数据表
2	RPMGS-20 重点	20 A，非隔离的十六分之一砖封装 18 VDC 至 75 VDC 的宽输入范围	3.3 VDC 至 24 VDC 的可调节输出标准的十六分之一砖宽幅封装	数据表
3	RPZ-0.5 重点新	2.3 - 5.5 VDC 输入电压范围薄型设计 2 mm	超紧凑尺寸 2 x 2 mm 可调电压输出范围 0.6 V 至 5.375 V	数据表
4	RPZ-0.5-EVM-1 重点新	RPZ-0.5/1.0 降压稳压器模块评估平台采用散热设计	EMI B 级滤波器轻松评估输出电压选项、控制和感应功能	数据表
5	RPZ-1.0 重点新	2.3 - 5.5 VDC 输入电压范围薄型设计 2 mm	超紧凑尺寸 2 x 2 mm 可调电压输出范围 0.6 V 至 5.25 V	数据表
6	RPZ-1.0-EVM-1 重点新	RPZ-0.5/1.0 降压稳压器模块评估平台采用散热设计	EMI B 级滤波器轻松评估输出电压选项、控制和感应功能	数据表
7	RPZ-2.0 重点新	2.75-6 VDC 输入电压范围薄型设计 2 mm	超紧凑尺寸 2.5 x 3.5 mm 可调电压输出范围 0.6 V 至 5.74 V	数据表
8	RPZ-2.0-EVM-1 重点新	RPZ-2.0 降压稳压器模块评估平台	采用散热设计 EMI B 级滤波器	数据表
9	RPZ-3.0A 重点新	集成屏蔽电感器的降压稳压器电源模块最大输入电压为 6 V	可编程 0.6 - 5.5 V 输出电压最大输出电流为 3 A	数据表
10	RPZ-3.0A-EVM-1 重点新	RPZ-3.0A 降压稳压器模块的评估平台采用散热设计	EMI B 级滤波器轻松对控制、电源良好和感应功能进行评估	数据表
11	RPZ-6.0 重点新	集成屏蔽电感器的降压稳压器电源模块最大输入电压为 7 V	可编程 0.6 - 6.65 V 输出电压最大输出电流为 6 A	数据表
12	RPZ-6.0-EVM-1 重点新	RPZ-6.0 降压稳压器模块评估平台	采用散热设计 EMI B 级滤波器	数据表

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