ZHCAEJ0 September 2024 TPS62874-Q1 , TPS62875-Q1 , TPS62876-Q1 , TPS62877-Q1 , TPS6287B10 , TPS6287B15 , TPS6287B20 , TPS6287B25 , TPS6287B30
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引言
隨著 AI 服務(wù)器的快速發(fā)展，人們對更高數(shù)據(jù)速率的需求日益增加，因此額定功率高達(dá) 15 瓦的 OSFP（八通道小型可插拔）模塊和額定功率高達(dá) 12 瓦的 QSFP-DD（雙密度四通道小型可插拔）模塊得到了廣泛的制造。與之前 QSFP-DD 的 1.2mm 高度限制相比，OSFP 模塊對高度的要求更高，PCB 底部高度可以達(dá)到 1.5mm。系統(tǒng)設(shè)計人員希望找到能夠同時適應(yīng) OSFP 和 QSFP-DD 模塊外形尺寸的降壓穩(wěn)壓器。小設(shè)計尺寸、低高度和高效率是關(guān)鍵設(shè)計要求。
突破熱設(shè)計的極限
數(shù)據(jù)速率持續(xù)攀升，現(xiàn)已達(dá)到 1.6Tbps。盡管可插拔光學(xué)模塊的外形被定義為能夠與不同供應(yīng)商的器件（如圖 1 中顯示的 QSFP-DD）互操作和兼容，但如果能夠在這種空間受限的環(huán)境中管理熱耗散，系統(tǒng)設(shè)計人員便能夠?qū)崿F(xiàn)更高的運行速度。在這種服務(wù)器環(huán)境中，氣流非常受限。因此，散熱器構(gòu)建在頂部來幫助可插拔模塊散熱。圖 2 顯示了頂部裝有散熱器的 QSFP-DD 堆疊式籠。
圖 1 單個 QSFP-DD 模塊
圖 2 堆疊式籠中顯示的兩個 QSFP-DD 模塊可插拔模塊必須仍在相同的功率預(yù)算（由外形尺寸定義）內(nèi)運行。為了能夠使電源設(shè)計適應(yīng)不同的可插拔模塊外形，并通過重復(fù)使用設(shè)計來加快產(chǎn)品上市速度，系統(tǒng)設(shè)計人員通常會優(yōu)先考慮具有極薄高度要求的降壓轉(zhuǎn)換器的性能，然后根據(jù)不同外形尺寸中允許的厚度調(diào)整電感器高度。能夠同時具備小巧尺寸、低 DCR 和高飽和電流的電感器非常少見。
DSP 內(nèi)核電壓軌是可插拔模塊功耗的主要來源。例如，當(dāng)前一代 DSP 通常需要 0.65V 至 0.4V 的電源電壓，并且負(fù)載電流高達(dá) 25A。
若要為內(nèi)核電壓軌供電，請選擇具有 I2C 接口和小尺寸設(shè)計的大電流電源。使用 25A TPS6287B25 時，設(shè)計人員能夠使用 2C 接口以 1.25mV 的步長動態(tài)地更改輸出電壓，并采用小型 3.05mm x 4.05mm QFN 封裝來實現(xiàn)高功率密度。
此外，為了簡化電感器選擇過程，以滿足高度要求并改善如此小的 3D 區(qū)域中的熱量分布，可以并聯(lián)多個 TPS6287B25。并聯(lián)多個降壓轉(zhuǎn)換器有助于通過分散熱點來降低溫升。
本文檔中的設(shè)計案例討論了 1.2mm 的高度限制。XGL3512 是一款高度為 1.2mm 的超小電感器，作為示例使用。
圖 3 所示為 TPS6287B25 在 20A 負(fù)載下的熱像圖。在該高負(fù)載下，IC 僅出現(xiàn) 30°C 的中等溫升，而電感器的溫升更小，為 20°C。
圖 3 單個 TPS6287B25 在室溫下以 3.3V VIN 為 0.45V 電壓軌提供 20A 直流電流相比之下，圖 4 所示為堆疊配置中負(fù)載為 20A 時兩個 TPS6287B25 的熱像圖。在該高負(fù)載下，兩個 IC 僅出現(xiàn) 15°C 的中等溫升，而電感器的溫升更小，為 11°C。
圖 4 兩個并聯(lián)的 TPS6287B25 在室溫下以 3.3V VIN 為 0.45V 電壓軌提供 20A 直流電流高負(fù)載下的效率優(yōu)化
此外，平均分配電流可以優(yōu)化定義的功率預(yù)算。
圖 5 單個 TPS6287B25 和兩個 TPS6287B25 并聯(lián)時的效率比較例如，如果在 20A 直流電流下使用單個 TPS6287B25 轉(zhuǎn)換器提供 0.45V 輸出（如圖 5 所示），則對于單個堆疊式 TPS6287B25 配置，效率為76%（2.84W 功率耗散）。對于兩個并聯(lián)的 TPS6287B25，效率高達(dá) 84%（1.69W 功率耗散）。在這種情況下，堆疊兩個 TPS6287B25 可顯著節(jié)省 1.15W。堆疊兩個 TPS6287B25 還有助于降低輸出紋波，因為異相運行會使紋波頻率加倍。
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VIN= 3.3V，VOUT= 0.45V 室溫 |
20A 時的效率 | 功率耗散 | 最高溫度 |
|---|---|---|---|
| 單路 TPS6287B25 | 76% | 2.84W | 54.4°C |
| 雙路 TPS6287B25 | 84.2% | 1.69W | 39.8°C |
結(jié)語
在光學(xué)通信中，功率預(yù)算優(yōu)化是一項耗時的活動，需要仔細(xì)挑選電源元件。TPS6287B25 系列可提供高功率密度和出色的效率，即使在高溫下也能高速運行。要提供大功率 DSP，請選擇合適的特性，例如小型 RDSON MOSFET、可堆疊性和外部同步功能，這些特性對于簡化功率和散熱受限的設(shè)計非常重要。
參考資料
- 德州儀器 (TI)，堆疊配置中的 TPS6287X-Q1 器件運行，應(yīng)用手冊。
- 德州儀器 (TI)，了解在高輸出電流和高溫下工作的 SOA 曲線，應(yīng)用手冊。
- 德州儀器 (TI)，采用小巧高效的電源和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器解決方案實現(xiàn)更高的光學(xué)模塊數(shù)據(jù)速率，技術(shù)白皮書。
- Semantic Scholar optical module images (圖 1 and 圖 2), Optimizing QSFP-DD Systems to Achieve at Least 25 Watt Thermal Port Performance, Cisco?, January 2021.