克服新一代光纖系統設計散熱挑戰

作者 : Tony Armstrong,ADI業務開發總監

光纖系統通常包含大量的光學傳輸模組,其裝在極小的空間內,且幾乎沒有散熱的能力。這些高密度組裝系統所能選用的散熱選項相當有限,因此要排散熱量,就成了一項設計要務。

全球光纖系統市場的規模相當龐大。各方的預測數據不一,估計直到2021年時複合年成長率可望接近10%。光纖主要用在各種通訊應用,包括像電信、住宅配線、有線電視、軍事、以及各種工業環境中。

和包括像是有線電視上網(cable)在內的其他技術相比,光纖通道通訊擁有許多優點,當中包括更高的頻寬、電磁干擾的抗擾性、電氣隔離、資料安全、降低成本、尺寸、重量、以及低衰減率等。光纖的成長受到這些優點所推動,而主要動力,則是消費與醫療部門對更高頻寬通訊的需求,以及政府資助經費委託為其開發網路基礎設施。

圖1:典型光纖傳輸系統包含眾多個別傳輸模組

圖1:典型光纖傳輸系統包含眾多個別傳輸模組。

若我們仔細審視推動這些成長背後的因素,就能明顯觀察到這不光只是一股趨勢,而是結合多種因素造成的結果。其中包括光纖纜線製造商增加投資與研發,促使光纖技術的發展與升級。在過去幾年業界持續研究與開發光纖技術,造成現今通訊與資料服務對於高頻寬光纖纜線的需求不斷成長。這當中包括光纖連接器、感測器、光纖寬頻、以及光纖纜線等產品。

在此同時,業界對於高速、頻寬密集、高資料率應用的需求,也造成全球光纖市場出現變化。新部署的光纖網路將是光纖市場在未來5到7年的主要驅動力。一個光纖系統通常包含許多元件,像是傳送器、接收器、以及光纖纜線。此外,系統裝設經常須投入大量人力,尤其是位於地下與海底的佈線。然而,也正因為應用的範圍甚廣且多元,驅動著全球光纖市場的發展,進而催生出可觀的成長率。

各界對於低成本、省電、高整合度資訊科技(IT)基礎設施持續攀升的需求,將成為未來幾年的主要驅動力。整體光纖市場可細分出幾個區塊,包括電信、石油與天然氣、軍事與航太、鐵路、以及醫療。當然在未來幾年,電信將對光纖設備的需求成長挹注最大比重的貢獻。

以地區論,北美地區在全球光纖市場所佔的比重約為三分之一,亞太地區市場規模則持續攀升,位居第二。其成長的主要驅動力來自IT、電信、以及政府部門大規模採用,促使技術不斷演進。

圖2:典型標準光纖傳輸模組。

圖2:典型標準光纖傳輸模組。

光纖系統的設計挑戰

光纖系統通常包含大量的光學傳輸模組,其裝在極小的空間內,且幾乎沒有散熱的能力。如上圖1顯示典型的光纖傳輸系統;圖2顯示典型光纖傳輸模組的尺寸,大約是一包口香糖的大小。

這些高密度組裝系統所能選用的散熱選項相當有限,因此要排散熱量,就成了一項設計要務。在一般機架系統中,可能配置到192個光學傳輸模組,但可能沒有設置足夠的氣冷配備,尤其是當所有光學模組都在利用率滿檔的模式。這些光學模組不得大幅提高工作溫度,然而這也會使系統進入熱超載狀態,進而導致關機。一旦過熱關機後必須等到經過一段時間系統冷卻下來後,系統才能回復工作。

伴隨系統複雜度的升高以及緊縮的設計時程而來的,除了必須調整設計資源,研發精力也必須專注在開發關鍵的智產,於是分配給電源供應器的設計資源就被邊緣化 – 甚至直到結束之後才會想到。在時間有限,甚至有時經驗也有限的情況下,設計業者被迫必須發展出高效率的解決方案,盡可能縮小佔用電路板的空間,讓空間與散熱資源的使用率發揮到極致。然而問題在於這兩個屬性向來都是背道而馳。

新款精小IC解決難題

對於高密度光學傳輸系統的電源供應器設計業者而言,好消息是,目前市面上現在已經有一款獨特解決方案,專為因應這些空間與設計限制而設計。LTC3310S 是一款非常小、低雜訊、單片降壓式直流對直流轉換器,能從2.25~5.5V的輸入供電,經轉換後提供最高10A的輸出電流。其中的零件採用的是Silent Switcher 2架構,以及內部熱迴路旁通電容,能在最高5MHz的切換頻率下達到低MIE與高效率切換的效果。

型號裡的「S」代表ADI的第二代Silent Switcher技術。這個技術帶來高速切換優勢,不僅在高切換頻率下達到高效率,還能達到良好的EMI效能。VIN上的陶瓷電容讓高速交流迴路維持精小,進而改進EMI效能。

圖3:LTC3310S完整電路圖,用到的外部元件減至最少。

 

小巧的解決方案,需要的外部元件數量也減至最低(如圖3所示)。不同於典型開關式穩壓器,高切換頻率並不會減損元件的轉換效率,而轉換效率降低可能對散熱產生不利的影響。請注意圖4,轉換效率為額定90%,當電壓從輸入3.3V降低到1.2V的輸出值,電流達到10安培的全額定值。

 

圖4:LTC3310S 的功率損耗 vs. 轉換效率。

 

總結

為光學傳輸系統設計最佳電源轉換電路,傳統上都會涉及在包括解決方案的佔用的電路板空間、EMI效能、以及功率消耗等因素之間做取捨。即使是經驗老道的開關模式電源供應器研發業者也得承認,想要兼顧這三個目標,根本毫無可能。

但如今這樣的窘境已不復存在。Analog Devices的Power by Linear LTC3310S元件讓客戶能在一個IC電源供應器上一次達成小尺寸、低EMI、以及低功率消耗等三項目標。而這樣的能力對於光纖通訊設備尤其重要,這類設備必須壓低EMI以防止資料傳輸的訊號在傳輸途中被人截收,而設備本身的空間也高度受限。

本文由ADI供稿

 

 

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