光纤系统实现热增强

背景知识

光纤系统的全球市场非常大。各方估算的数值各不相同,但大都认为2019年的营收在40亿至45亿美元之间,到2021年,复合年增长率(CAGR)应接近10%。光纤主要用于通信应用,例如电信、家庭宽带、有线电视、军事和工业环境等领域。相比其他技术,例如电缆,光纤通信具有许多优势,包括增加带宽、抗电磁干扰、电气隔离、数据安全、降低成本、尺寸和重量,以及低衰减率。这些优势推动了光纤增长,但起主要推动作用的是消费电子和医疗行业对更高带宽通信的需求,以及政府对自身网络基础设施发展的资助。

仔细查看推动这些增长预期的因素,可以明显发现,并非是因为单个趋势,而是因为多种因素的组合。其中包括:该行业的主要光纤电缆制造商为了开发和升级光纤技术,不断投入的资 金和进行的研究。在过去几年里,对光纤技术的研究和开发持续不断,奠定了光纤技术如今的主导地位,也导致通信和数据服务更加需要高带宽的光纤电缆。这包括光纤连接器、传感器、光纤宽带和光纤电缆。

与此同时,对高速、带宽密集、高数据速率应用的需求改变了全球光纤市场。未来五到七年内,新光纤网络的部署将成为推动光纤市场发展的主要动力。光纤系统通常由多个组件组成,例如发射器、接收器和光纤电缆。此外,系统安装需要用到大量人力,尤其是在这些系统用于地下和海下连接时。但是,正是这些广泛而多样化的应用推动了全球光纤市场的发展;帮助实现了非常高的增长率。

未来数年,对经济高效、节能及高度集成的信息技术(IT)基础设施的需求将成为推动光纤市场发展的主要动力。整个光纤市场可以细分为多个领域,包括电信、石油和天然气、军用和航空 航天、铁路以及医疗。其中,电信行业在未来几年对光纤设备的需求将呈现大幅度增长。

就区域而言,北美地区占全球光纤市场的三分之一,亚太地区的市场份额紧随其后,居于第二位。之所以呈现这种增长,主要是因为IT、电信和行政领域大规模采用光纤,从而推动技术 不断发展。

光纤系统设计挑战

光纤系统通常由大量光纤传输模块组成,这些模块置于非常小的空间内,几乎无法散热。图1显示了一个典型的光纤传输系统。

图1. 典型的光纤传输系统,由多个阵列组成,每个阵列包含多个传输模块。

图2显示了典型的单个光纤传输模块的大小,差不多和一包口香糖一般大。

图2. 典型的单个光纤传输模块的示例。

这些密集排列的系统的冷却非常有限,所以散热是一大设计挑战。在典型的机架系统中,可能容纳192个单个光纤传输模块,通风冷却可能不足,尤其当所有光纤模块都处于充分使用的模式时更是如此。很显然,这些光纤模块不能大幅提高工作温度,这一点非常重要,因为工作温度提高会导致系统热过载,造成系统关断。系统经过长时间停机,温度冷却之后,才能重新正常运行。

随着设计资源因为不断增高的系统复杂性和紧凑的设计日程而减少,研发资源又主要侧重于关键知识产权的开发,导致专用电源设计资源被推挤到边缘,甚至要事后才会想起。在时间有 限,有时候经验也有限的情况下,设计人员需要给出尺寸尽可能小的高效解决方案,利用可用的PCB区域,实现高空间利用率,达到出色的散热效果。问题是,传统认为这两个属性是相互对立的。

紧凑型新IC解决了一个难题

对于排列紧凑的光纤传输系统电源设计人员来说,好消息是,现在出现了一款独特的新解决方案,专用于解决这些空间和热设计限制问题。

LTC3310S 是一种小型、低噪声单芯片降压型DC-DC转换器,输入电源为2.25V至5.5V时,可以提供最高10 A输出电流。这个产品采用Silent Switcher® 2架构,配有内部热回路旁置电容,可以在最高5 MHz开关频率下实现低EMI和高效率。对于需要更高功率 的系统,可以轻松实现多相并行转换器设置。最多可以并行使用4个LTC3310S器件来提供40 A输出电流,无需担心热不匹配问题,因为电流会自动与其他IC共享,保持在1%以内。

LTC3310S是一款恒频电流模式降压型DC-DC转换器。振荡器会在每个时钟周期开始时打开内部电源顶部开关。电感电流不断增加,直到顶部电流开关比较器触发,并关闭顶部电源开关。 顶部开关关闭时的峰值电感电流由ITH节点的电压决定。误差放大器比较FB引脚上的电压和内部500 mV基准电压,据此管控ITH节点。

负载电流增加时,与基准电压相关的反馈电压会降低,导致误差放大器的ITH电压增高,直到电感的平均电流与新负载电流匹配。当顶部开关关闭时,同步开关开启,直到开始下一个时钟 周期,或者,在脉冲跳跃模式中,直到电感电流降低至零。

如果过载导致过多电流通过底部开关,会导致下一个时钟周期延迟,直到开关电流回到安全水平。如果EN引脚低于阈值,LTC3310S会关闭,进入低静态电流状态。EN引脚高于其阈值时,开关稳压器启用。LTC3310S中的“S”代表ADI公司的第二代Silent Switcher技术。该技术支持快速开关边沿,在高开关频率下可提供高效率,同时实现良好的EMI性能。VIN上的陶瓷电容让所有快速交流电流环路都保持小环路面积,从而改善EMI性能。

由于LTC3310S采用恒频、峰值电流模式控制架构,所以能在最少输出电容下提供快速瞬态响应。500 mV参考电压可以实现低电压输出,同时100%占空比运行可以实现低压降。其他特性包 括指示输出处于稳压状态的电源良好信号、精准使能阈值、输出过压保护、热关断、温度监视器、时钟同步、模式选择和输出短路保护。该器件采用紧凑的18引脚3 mm × 3 mm LQFN封装。

LTC3310S的关键特性

LTC3310S是一款小巧、紧凑的解决方案,只需要很少的外部组件,具体请参见图3中的原理图。LTC3310S采用恒频PWM架构。可以采用三种方法设置开关频率:可以采用与RT接地引脚连 接的电阻(RT),设定500 kHz至5 MHz开关频率;可以令内部PLL电路与施加给MODE/SYNC引脚的外部频率保持同步,由此设定0.5 MHz至2.25 MHz频率;或者,可以默认采用内部标称2 MHz时 钟频率。

图3. 采用最少外部组件的LTC3310S的完整原理图。

与典型的开关稳压器不同,高开关频率操作不会降低LTC3310S的转换效率,但可能会对散热产生不利影响。从图4可以看出,在接近10A额定满载电流下,从3.3V输入降低到1.2V输出时,转 换效率为86%。

图4. LTC3310S功率损失与转换效率。

结论

传统上,为光纤传输系统设计优化型功率转换电路需要就性能、解决方案的尺寸、EMI性能和功耗进行权衡。即使经验丰富的开关模式电源设计人员也会承认,不可能同时最大化这三项。现在情况已经不同。使用ADI公司的 Power by LinearLTC3310S,可以令单个IC电源实现小尺寸、低EMI性能和低功耗。这对于光纤通信设备尤为重要,因为光纤通信设备要求低 EMI辐射,以免干扰数据传输,且其空间非常有限。

作者

Tony Armstrong

Tony Armstrong

Tony Armstrong是ADI公司Power by Linear产品部的产品营销总监。他负责电源转换和管理产品从上市到停产的所有事务。加入ADI之前,Tony在凌力尔特、Siliconix Inc.、Semtech Corp.、Fairchild Semiconductors和Intel担任过营销、销售和运营方面的不同职位。他拥有英国曼彻斯特大学应用数学(荣誉)学士学位。Tony于2020年春季退休。