Wie Sie mit einem DC-DC-Wandler zu viel Hitze in optischen Übertragungssystemen vermeiden

Entwickler von dicht gepackten LWL-Übertragungssystemen können aufatmen: Ein verlustarmer Abwärtswandler ermöglicht nun kompakte und thermisch effiziente Stromversorgungen mit geringem EMI.

Der globale Markt für Lichtwellenleiter ist groß. Die Schätzungen über die Gesamtgröße variieren, aber es ist vernünftig zu sagen, dass sie 2019 zwischen 4 Mrd. und 4,5 Mrd. US-$ liegen werden, bei einer CAGR (Compound Annual Growth Rate, jährliche Wachstumsrate) von fast 10% bis 2021. Lichtwellenleiter werden überwiegend in Kommunikationsanwendungen wie Telekommunikation, Heimwerker, CATV, Militär und Industrie eingesetzt. Glasfaser hat viele Vorteile gegenüber älteren Technologien wie Kabel: z.B. größere Bandbreite, elektromagnetische Störfestigkeit, geringere Kosten, Größe und Gewicht, niedrige Dämpfungsraten, elektrische Isolation und Datensicherheit. Darüber hinaus wird das Wachstum auch durch den Bedarf an Kommunikation mit höherer Bandbreite, wachsende Chancen im Gesundheitswesen sowie staatliche Mittel für den Aufbau einer eigenen Netzinfrastruktur gefördert.

Wenn man sich genauer ansieht, was diese vielversprechenden Wachstumsprognosen antreibt, wird deutlich, dass es sich nicht nur um einen einzelnen Trend, sondern um eine Kombination von Faktoren handelt. Dazu gehört eine Kombination aus zunehmenden Investitionen und Forschungsarbeiten der großen Glasfaserkabelhersteller der Branche zur Entwicklung und Verbesserung der Glasfasertechnologie. Die Glasfasertechnologie hat in den letzten Jahren kontinuierliche Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten betrieben, was zu ihrer heutigen Bedeutung und der steigenden Nachfrage nach breitbandigem Glasfaserkabel für Kommunikations- und Datendienste führte. Dazu gehören faseroptische Steckverbinder, Sensoren, faseroptische Breitband- und Glasfaserkabel.

Gleichzeitig hat diese Nachfrage nach schnellen, bandbreitenintensiven Anwendungen mit hoher Datenrate den globalen Glasfasermarkt verändert. Es wird erwartet, dass der Einsatz von Glasfasernetzwerken den Markt für Glasfaser in den nächsten fünf bis sieben Jahren antreiben wird. Ein Glasfasersystem besteht typischerweise aus einer Vielzahl von Komponenten wie Sendern, Empfängern und optischen Kabeln. Darüber hinaus sind Systeminstallationen arbeitsintensiv, insbesondere wenn sie für Untergrund- und Unterwasserverbindungen vorgesehen sind. Es ist jedoch diese große Bandbreite und Vielfalt der Anwendungen, die den globalen Glasfasermarkt antreibt und damit seine signifikante Wachstumsrate ermöglicht.

Allerdings wird die wachsende Nachfrage nach kostengünstiger, energieeffizienter und hochgradig integrierter Informationstechnologie in den nächsten Jahren die wichtigste Triebkraft sein. Der gesamte Glasfasermarkt kann in eine Vielzahl von Bereichen segmentiert werden, darunter Telekommunikation, Öl und Gas, Militär und Luft- und Raumfahrt, Eisenbahn, Medizin und andere Anwendungen. Dennoch ist es das Segment Telekommunikation, das in den nächsten Jahren voraussichtlich der größte Wachstumsbereich sein wird.

Regional betrachtet hat die Region Nordamerika einen Anteil von rund einem Drittel am globalen Glasfasermarkt, während die Region Asien-Pazifik mit zunehmender Stärke an zweiter Stelle steht. Ausschlaggebend für dieses Wachstum waren die gestiegenen technologischen Fortschritte durch die groß angelegte Einführung von IT- und Telekommunikationsdienstleistungen sowie der Verwaltungsbereiche.

Herausforderungen bei der Entwicklung von LWL-Systemen

Glasfasersysteme bestehen in der Regel aus einer Vielzahl von Lichtwellenleitern, die auf engstem Raum und praktisch ohne Kühlkapazität untergebracht sind. Das Aufmacherbild veranschaulicht, wie viele dieser LWL-Kabel innerhalb eines typischen Glasfaserübertragungssystems konfiguriert sind. Darüber hinaus zeigt Bild 1 ein typisches individuelles LWL-Übertragungsmodul, das ungefähr die Größe einer Packung Kaugummi hat.

Es ist klar, dass aufgrund der begrenzten Kühlung in diesen dicht gepackten Systemen die Wärmeabfuhr eine wichtige Aufgabe des thermischen Designs ist. In einem typischen Racksystem können bis zu 192 einzelne optische Übertragungsmodule vorhanden sein. Allerdings ist die installierte Lüfterkühlung innerhalb des Systems nicht immer ausreichend, insbesondere wenn alle Module voll ausgelastet sind. Dementsprechend ist es unerlässlich, dass diese optischen Module nicht zu einem signifikanten Anstieg der Betriebstemperatur beitragen, da das System thermisch überlastet werden könnte und sich vorübergehend ausschalten würde. Dies kann mehrere Stunden Ausfallzeit bedeuten, während der das System reichend abkühlt, um den normalen Betrieb wieder aufzunehmen.

Da die Entwicklungs-Ressourcen aufgrund der zunehmenden Systemkomplexität und verkürzten Entwicklungszyklen immer knapper werden, liegt der Schwerpunkt auf der Entwicklung des eigentlichen Systems selbst. Das bedeutet oft, dass die Stromversorgung bis spät in den Entwicklungszyklus zur Seite gelegt wird. Mit wenig Zeit und vielleicht begrenzten Ressourcen für die Entwicklung von Stromversorgungen besteht der Druck, eine hocheffiziente Lösung mit dem kleinstmöglichen Platzbedarf zu entwickeln, die den verfügbaren PCB-Bereich für eine maximale Raum- und Wärmeableitungsnutzung nutzt. Dies ist ein großes Dilemma, da diese beiden Attribute in der Regel als sich gegenseitig ausschließend angesehen werden.

Neuer Compact-IC löst ein schwieriges Problem

Die gute Nachricht für Stromversorgungsentwickler von dicht gepackten optischen Übertragungssystemen ist, dass es eine neue Lösung gibt, um diese räumlichen und thermischen Einschränkungen gezielt anzugehen.

Der LTC3310S von Analog Devices ist ein sehr kleiner, rauscharmer, monolithischer Step-down-DC/DC-Wandler, der bis zu 10 A Ausgangsstrom von einer Eingangsversorgung von 2,25 bis 5,5 V liefern kann. Das Bauteil verwendet die Silent-Switcher-2-Architektur mit internen Hot-Loop-Bypass-Kondensatoren, um sowohl niedrige EMV als auch einen hohen Wirkungsgrad bei Schaltfrequenzen bis zu 5 MHz zu erreichen. Für Systeme mit höherem Leistungsbedarf sind mehrphasige Parallelumrichter problemlos einsetzbar. Bis zu vier LTC3310S-Bausteine können parallel betrieben werden und liefern dann einen Ausgangsstrom von bis zu 40 A. Zudem besteht keine Gefahr thermischer Ungleichgewichte, da die Bausteine den erforderlichen Strom automatisch innerhalb von 1% untereinander aufteilen.

Der LTC3310S ist ein DC/DC-Wandler mit konstanter Frequenz und Stromabsenkung. Ein Oszillator schaltet den internen oberen Leistungsschalter zu Beginn jedes Taktzyklus ein. Der Strom in der Drossel steigt, bis der Stromkomparator des oberen Schalters auslöst und den oberen Leistungsschalter ausschaltet. Der Spitzeninduktionsstrom, bei dem der obere Schalter abschaltet, wird durch die Spannung am ITH-Knoten gesteuert. Der Fehlerverstärker steuert den ITH-Knoten indem er die Spannung am FB-Pin mit einer internen 500-mV-Referenz vergleicht.

Wenn der Laststrom ansteigt, bewirkt dies eine Reduzierung der Rückführspannung gegenüber der Referenz, die den Fehlerverstärker dazu veranlasst, die ITH-Spannung zu erhöhen, bis der durchschnittliche Strom durch die Drossel dem neuen Laststrom entspricht. Wenn der obere Schalter ausgeschaltet wird, schaltet sich der Synchron-Leistungsschalter ein, bis der nächste Taktzyklus beginnt oder im Impulssprung-Modus der Drosselstrom auf Null fällt. Wenn Überlastbedingungen zu einem übermäßigen Stromfluss durch den unteren Schalter führen, wird der nächste Taktzyklus verzögert, bis der Schaltstrom wieder auf ein sicheres Niveau sinkt.

Wenn der EN-Pin niedrig ist, wird der LTC3310S abgeschaltet und befindet sich in einem niedrigen Ruhestromzustand. Wenn der EN-Pin über seinem Schwellenwert liegt, wird der Schaltregler aktiviert. Das „S“ im LTC3310S bezieht sich auf die Silent-Switcher-Technology der zweiten Generation. Diese Technologie ermöglicht schnelle Schaltflanken für einen hohen Wirkungsgrad bei hohen Schaltfrequenzen bei gleichzeitig guter EMV-Performance. Keramische Kondensatoren auf V_IN halten alle schnellen Wechselstromschleifen klein und verbessern die EMV-Leistung.

Da der LTC3310S eine Steuerarchitektur mit konstanter Frequenz und Spitzenstrom verwendet, kann er eine schnelle transiente Reaktion bei minimaler Ausgangskapazität bieten. Die 500-mV-Referenz ermöglicht Niederspannungsausgänge, während ein 100%iger Tastverhältnisbetrieb einen geringen Abfall liefert. Weitere Merkmale sind ein Power-Good-Signal, wenn der Ausgang geregelt ist, ein Präzisionsfreigabeschwellenwert, ein Überspannungsschutz, eine thermische Abschaltung, ein Temperaturwächter, eine Taktsynchronisation, eine Modusauswahl und ein Kurzschlussschutz des Ausgangs. Das Gerät ist in einem kompakten 18-poligen, 3 mm x 3 mm messenden LQFN-Gehäuse erhältlich.

Die Schlüsselattribute des Abwärtswandlers LTC3310S

Der LTC3310S ist eine kleine und kompakte Lösung mit minimalen externen Komponenten, wie in seinem Schaltplan in Bild 2 dargestellt. Der LTC3310S verwendet eine PWM-Architektur mit konstanter Frequenz. Es gibt drei Möglichkeiten, die Schaltfrequenz einzustellen. Das erste Verfahren ist mit einem Widerstand (RT), der vom RT-Pin an die Masse angeschlossen ist. Die Frequenz kann so programmiert werden, dass sie von 500 kHz auf 5 MHz umschaltet. Das zweite Verfahren zum Einstellen der Schaltfrequenz des LTC3310S ist durch das Synchronisieren der internen PLL-Schaltung mit einer externen Frequenz möglich, die auf den MODE/SYNC-Pin angewendet wird. Der Synchronisationsfrequenzbereich beträgt 0,5 bis 2,25 MHz. Die dritte Methode zur Einstellung der Schaltfrequenz des LTC3310S besteht darin, den internen nominalen 2-MHz-Standardtakt zu verwenden.

Darüber hinaus beeinträchtigt der Betrieb mit hoher Schaltfrequenz nicht den Wirkungsgrad des LTC3310S, was die Wärmeabfuhr negativ beeinflussen könnte. Betrachtet man Bild 3, so beträgt der Wirkungsgrad 90%, wenn man von einem 3,3-V-Eingang auf einen 1,2-V-Ausgang in der Nähe seines vollen Nennstroms von 10 A wandelt.

Keine Kompromisse dank LTC3310S

Die Entwicklung der optimalen Wandlerschaltung für optische Übertragungssysteme ist selbst für einen erfahrenen Schaltnetzteilentwickler keine leichte Aufgabe. Oftmals muss der Entwickler den Kompromiss zwischen Platzbedarf, elektromagnetischer Verträglichkeit und Verlustleistung eingehen, einfach weil es nicht möglich war, alle drei zu optimieren. Dank LTC3310S können jedoch alle diese wichtigen Attribute in einem einzigen IC realisiert werden. Dies ermöglicht eine kompakte und thermisch effiziente Lösung mit geringem EMI, sodass die Datenübertragung nicht beeinträchtigt wird.

* Tony Armstrong ist Business Development Director bei Analog Devices Inc.

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