近些年，高速光模块市场迎来快速增长。5G基建培植的持续推进和互联网时期数据市场的需求爆发持续刺激着对50G/100G/200G/400G高速光模块的需求。环球100G/200G/400G的光模块在未来3到5年估量会以30%的CAGR持续增长。
图1：高速光模块的市场出货量（Y16-Y22F）
5G基站培植架构从RRU+BBU进化到AAU+CU+DU推动出前传光模块，中传光模块及回传
光模块市场需求：
1.前传光模块紧张利用在AAU到DU之间的光旗子暗记传输，集中在25G和50G的高速光模块。前传光模块的市场需求量比较于后两者更大，在未来四年估量有48Mu的市场需求量。
2.中传光模块紧张运用在DU和CU之间的光电旗子暗记转换。这一部分的数据量更大，中传光模块紧张集中在50G和100G的高速光模块，估量在未来四年的总市场需求量在16Mu。
3.回传光模块紧张运用于CU与承载网做事器之间，有着最高的旗子暗记速率哀求，集中于100G，200G及400G，未来四年的市场需求在7Mu。
图2：5G基站培植的整体架构
数据中央市场对高速光模块的需求在仅几年也持续提高。得益于两点：
1.传统三层网络构造式做事器架构向叶脊架构数据中央的进化：大大增加了数据中央内部交流连接点的数量，对应提高了对高速光模块的数量需求；
图3：数据中央架构演进
2.互联网时期加成云打算云存储观点，持续点燃着数据中央的培植。我国数据中央数量也从2012年的1万个到如今的7.4万个，已建成的超大型、大型数据中央数量占比达到12.7%。数据中央市场的持续升温也同样刺激着高速光模块的市场需求。
（二）TI电源及旗子暗记链办理方案助力光模块小体积布板设计
光模块产品本身体积较小，工程师在利用体积较大的电源及旗子暗记链芯片时，每每会使设计受限于Layout。TI供应完全的高速光模块供电链路供工程师设计参考利用。详细参考如下框图：
图4：TI参考推抬高速光模块供电轨方案
从金手指的3.3V接口供电到各个光模块内的不同运用单元，TI都供应了不同类型的超小封装电源及旗子暗记链产品办理方案。我们将从如下4个紧张的功能大块做详细先容：
1.激光发射器驱动器（LDD）供电单元：
针对付不同厂家的激光发射器驱动器的供电电压的不同，在此处的电源方案设计分为两种不同的拓扑类型：Buck电源办理方案和Buck-boost电源办理方案。较普遍的供电电流需求在小于3A。较高开关频率的DC/DC芯片可以降落对电路设计时外围功率电感的感量和最大不饱和电流值的哀求，进而提高全体布板效率。同时高开关频率的DCDC电源芯片对输出电流的纹波抑制也有较高的抑制浸染。
Buck电源办理方案汇总如下。TI供应两种不同类型的Buck芯片：转换器芯片及电源模块。高开关频率的转换器芯片可以有效降落电感尺寸进而精进占板面积。而集成度更高的电源模块产品将电感及部分输入输出电容集成，不仅在精进占板面积上有更优质的表现，同时在降落EMI，简化设计上为工程师供应便捷。
表1：TI适用于LDD驱动方案的buck产品选型表
Buck-Boost电源办理方案适用于一些激光发射器驱动芯片供电电压大于3.3V的情形。TI供应高开关频率的Buck-Boost芯片：TPS61099B。
TPS61099B是一颗纵然在轻载下仍旧通过逼迫PWM掌握方案以担保在全负载范围内都能很好的抑制输出电源的高频纹波。3MHz的开关频率及1.23 x 0.88mmWCSP的封装极大的减小了整体电源方案的布板面积。1A的最大开枢纽关头点电流限定，适用于电流需求小于1A的绝大部分运用。如下是TPS61099B的范例运用电路。通过少量的外围无源元件即可实现。
图5：TPS61099B范例电路运用
2.PAM4DSP或者主MCU供电单元：
传统的10G及10G以下的光模块设计中，MCU的功耗每每相对较低，采取3A及以下的Buck降压芯片可以知足供电电源的参数设计。在50G及以上的高速光模块中，尤其是对付更多通道更远传输间隔的LR4/ER4等高速光模块，每每不仅要采取功耗更高的PAM4-DSP掌握芯片，还会加入FPGA单元提高数据的处理能力。这时，3A及以上的Buck降压芯片每每被工程师所采取。基于目前网络的对供电电源的哀求，TI供应如下电源办理方案供光模块硬件工程师选择：
表2：TI适用于PAM4DSP 或主MCU的buck产品选型表
3.APD高压驱动单元
雪崩光电二极管(Avalanche Photon Diode, APD)常在须要进行远距传输的光模块中在吸收真个光电旗子暗记转换中被利用。在光电二极管的PN结上加上反向偏压后，射入的光被PN接管后会形成光电流，加大反向偏压会产生雪崩（光电流成倍激增）的征象。同时利用了载流子的雪崩倍增效应来放大光电旗子暗记以提高检测的灵敏度。APD每每须要大于35V的高压进行驱动。TI供应集成有非同步升压及电流镜的TPS61391以驱动高压APD。
TPS61391是一颗集成非同步升压转换器及电流镜电路的APD驱动芯片。可以将金手指供应的3.3v的端口电压最大升压到85V。800mA的开枢纽关头点电流值可以担保在85V的高压输出情形下仍旧能供应10mA的驱动电流值。内置的1：5和4：5的电流镜可以根据不同精度的电流监测自动无缝切换。700KHz的开关频率使得在外部电感设计的过程中，纵然在占空比较小的情形下也能有效的掌握电感体积。TPS61391的封装是3x3的QFN封装，占板面积相对较小。
同时TI也推出了TPS61390以运用在低速PON光模块。在内置与TPS61391相同规格的非同步升压转换器和电流镜电路的同时，连续集成采样保持电路，以适应FTTH范例网络中突发型光旗子暗记的吸收。
如下是TPS61391的范例电路运用：
图6：TPS61391范例电路运用
4.EML激光发射器驱动电路：
EML激光发射器的驱动电路对付激光器电光旗子暗记转换的质量起到了主要的浸染。针对付EML激光器，工程师在设计过程中紧张涉及到EA负压驱动、恒电流光功率掌握、TEC掌握。
针对付TEC掌握，TI供应通过Buck-boost芯片实现TEC掌握，比较于传统的H桥掌握模式，方案占板面积更小，本钱更低，同时整体方案仍能保持在90%。TI供应的参考设计TIDA-050017为参考办理方案，以TPS63802/TPS63805为核心，通过数字化的温度PID掌握以实现对EML激光器的恒温掌握。
图7：基于TPS63802的TIA温度掌握设计
针对付多通道高速光模块中EA负压驱动及恒流光功率掌握，TI最新推出了一款高集成度的EML激光器驱动及监测芯片AMC60804。如下是AMC60804的内部系统框图。AMC60804内部集成有4路IDAC、4路VDAC以及12路ADC。IDAC可以供应从0到150mA的驱动电流，VDAC可以最大可以实现-5V到0V或0V到+5V的输出电压范围。同时，AMC60804也内置一个12通道的ADC。4路ADC采样IDAC的端口电压值，4路ADC采样VDAC的引脚电流值，AMC60804仍外置出4个通道的ADC采样，以实现部分光模块客户需求的LOS检测功能。ADC通道检测的结果可以通过AMC60804内置的寄存器去读写。AMC6084的封装是仅有2.5 x 2.5mm的WCSP封装，极大的优化了多通道高速光模块在设计布板时的难度。AMC60804是一颗专门用于EML激光器驱动及监测的芯片，目前已经量产，工程师可以在TI官网上找到完全的数据手册以及用于EVM调试的上位机软件AMC60804-EVM。
图8：AMC60804的范例框图
（三）本文小结
本文先容了高速光模块近年来的市场情形，同时汇总了TI德州仪器高密度电源及旗子暗记链办理方案，席卷了光模块硬件设计工程师紧张会用到的几个关键电源的设计。后续将持续更新光模块干系专题，汇总在光模块运用中可能利用到的运放单元，负载开关单元及多通道小封装的DAC/ADC芯片，同时会详细更新本文提到的基于Buck-boost开关型芯片的TEC掌握，AMC60804的详细利用以及多种不同的单通道负压供电方案。
关于德州仪器 (TI)
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