Los sistemas de fibra óptica se benefician de las mejoras térmicas

Fondo

El mercado mundial de sistemas de fibra óptica es enorme. Las estimaciones varían, pero muchos pronósticos lo ubican entre $ 4 mil millones y $ 4,5 mil millones en 2022, con una CAGR de casi el 10% hasta 2022. La fibra óptica se usa principalmente en aplicaciones de comunicaciones como las que se encuentran en telecomunicaciones, servicios domésticos, CATV, militar. y ambientes industriales. Las comunicaciones basadas en fibra tienen muchas ventajas sobre otras tecnologías, como el cable, incluido un mayor ancho de banda, inmunidad a interferencias electromagnéticas, aislamiento eléctrico, seguridad de datos, reducción de costos, tamaño y peso y bajas tasas de atenuación. El crecimiento está impulsado por estas ventajas, pero principalmente por la necesidad de comunicaciones de mayor ancho de banda en los sectores de consumo y atención médica, así como de financiamiento gubernamental para desarrollar su propia infraestructura de red.

Mirando más de cerca lo que está impulsando estas prometedoras proyecciones de crecimiento, está claro que no es una tendencia única, sino una combinación de factores. Estos incluyen una combinación de mayor inversión e investigación por parte de los principales fabricantes de cables de fibra óptica dentro de la industria para desarrollar y actualizar la tecnología de fibra óptica. La tecnología de fibra óptica ha sido objeto de continuas actividades de investigación y desarrollo en los últimos años, lo que ha llevado a su importancia actual y a la creciente demanda de cables de fibra óptica de gran ancho de banda para servicios de comunicaciones y datos. Esto incluye conectores de fibra óptica, sensores, banda ancha de fibra óptica y cables de fibra óptica.

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Al mismo tiempo, la demanda de aplicaciones de alta velocidad, uso intensivo de ancho de banda y alta velocidad ha cambiado el mercado global de fibra óptica. El despliegue de nuevas redes de fibra será un impulsor clave del mercado de fibra durante los próximos cinco a siete años. Un sistema de fibra óptica generalmente consta de muchos componentes, como transmisores, receptores y cables ópticos. Además, la instalación del sistema requiere mucha mano de obra; especialmente cuando se trata de conexiones subterráneas y submarinas. Sin embargo, es esta amplia gama y variedad de aplicaciones lo que está impulsando el mercado global de fibra óptica; lo que permite su importante tasa de crecimiento.

La creciente demanda de una infraestructura de tecnología de la información (TI) rentable, energéticamente eficiente y altamente integrada será un factor clave en los próximos años. El mercado global de fibra óptica se puede segmentar en una amplia gama de áreas que incluyen telecomunicaciones, petróleo y gas, militar y aeroespacial, ferroviaria y médica. De estos, las telecomunicaciones generarán el mayor crecimiento en la demanda de equipos de fibra óptica en los próximos años.

A nivel regional, la región de América del Norte representa aproximadamente un tercio del mercado mundial de fibra óptica, con Asia-Pacífico ganando la segunda participación de mercado. Las principales razones de este crecimiento son los mayores avances tecnológicos debido a la adopción a gran escala en los sectores de TI, telecomunicaciones y gobierno.

Desafíos del diseño del sistema de fibra óptica

Los sistemas de fibra óptica suelen constar de una amplia gama de módulos de transporte óptico, empaquetados en un espacio muy pequeño con poca capacidad de refrigeración. La figura 1 muestra un sistema de transporte de fibra óptica típico.

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Figura 1. Un sistema de transporte óptico típico consta de varias redes de módulos de transporte individuales.

La figura 2 muestra el tamaño de un módulo de transporte óptico único típico, aproximadamente del tamaño de un paquete de chicle.

Figura 2. Ejemplo de un módulo de transporte óptico independiente típico.

Estos sistemas compactos tienen opciones de enfriamiento limitadas, por lo que la eliminación de calor es una tarea de diseño importante. Un sistema de bastidor típico puede tener más de 192 módulos de transporte óptico individuales, lo que probablemente carezca de suficiente refrigeración por aire, especialmente cuando todos los módulos ópticos están en modo de carga completa. Es crucial que estos módulos ópticos no aumenten significativamente la temperatura de funcionamiento, ya que esto podría provocar una sobrecarga térmica en el sistema y provocar el apagado. El funcionamiento normal solo se puede reanudar después de un tiempo de inactividad suficiente para permitir que el sistema se enfríe.

A medida que aumenta la complejidad del sistema y los cronogramas de diseño ajustados estiran los recursos de diseño, las energías de I+D se centran en desarrollar propiedad intelectual clave, lo que puede empujar los recursos de diseño de fuentes de alimentación al margen, o incluso dejarlos fuera. Con tiempo limitado y, a veces, experiencia limitada, los diseñadores se ven obligados a encontrar una solución de alta eficiencia con el menor espacio posible mediante el uso del área de PCB disponible para la máxima utilización del espacio y disipación de calor. El problema es que estas dos características tradicionalmente se consideran mutuamente excluyentes.

Un nuevo circuito integrado compacto resuelve un problema difícil

La buena noticia para los diseñadores de fuentes de alimentación de sistemas de transporte óptico densamente poblados es que existe una nueva solución única para abordar específicamente estas limitaciones de diseño térmico y espacial.

El LTC3310S es un convertidor CC-CC reductor, monolítico y de bajo ruido capaz de proporcionar hasta 10 A de corriente de salida desde una fuente de alimentación de entrada de 2,25 V a 5,5 V. La parte Silent Switcher utiliza® 2 con condensadores internos de derivación de bucle activo para lograr una EMI baja y una alta eficiencia en frecuencias de conmutación de hasta 5 MHz. Para sistemas con mayores requisitos de potencia, se implementa fácilmente una configuración de convertidor paralelo de etapas múltiples. Se pueden usar hasta cuatro dispositivos LTC3310S en paralelo para proporcionar 40 A de corriente de salida, sin preocuparse por el desajuste térmico, ya que la corriente se divide automáticamente en un 1 % entre los circuitos integrados.

El LTC3310S es un convertidor CC/CC reductor. Un oscilador activa el interruptor de alimentación superior interno al comienzo de cada ciclo de reloj. La corriente en el inductor aumenta hasta que se dispara y el interruptor superior pierde el interruptor de alimentación superior. El voltaje en el nodo ITH controla la corriente máxima del inductor a la que gira el interruptor superior. El amplificador de error esclaviza el nodo ITH comparando el voltaje en el pin FB con una referencia interna de 500 mV.

Cuando la corriente de carga aumenta, el voltaje de retroalimentación disminuye desde la referencia, lo que hace que el amplificador de error aumente el voltaje ITH hasta que la corriente promedio del inductor coincida con la nueva corriente de carga. Cuando se apaga el interruptor de alimentación superior, el interruptor de alimentación síncrono se enciende hasta el comienzo del siguiente ciclo de reloj o, en el modo de salto de pulso, la corriente del inductor cae a cero.

Si fluye demasiada corriente a través del interruptor inferior debido a condiciones de sobrecarga, el siguiente ciclo de reloj se retrasa hasta que la corriente del interruptor vuelve a un nivel seguro. Si el pin EN es bajo, el LTC3310S se apaga y entra en un estado de corriente inactiva baja. Cuando el pin EN está por encima de su umbral, el regulador de conmutación está habilitado. La «S» en el LTC3310S se refiere a la tecnología Silent Switcher de segunda generación de ADI. Esta tecnología permite flancos de conmutación rápidos para una alta eficiencia a frecuencias de conmutación elevadas, al mismo tiempo que logra un buen rendimiento de EMI. Condensadores cerámicos en VEN manteniendo pequeño cada bucle de CA rápido, mejorando el rendimiento de IEA.

Debido a que el LTC3310S utiliza una arquitectura de control de modo de corriente de frecuencia máxima fija, puede proporcionar una respuesta transitoria rápida con una capacitancia de salida mínima. Una referencia de 500 mV permite salidas de bajo voltaje, y la operación del ciclo de trabajo del 100 % proporciona baja caída. Otras características incluyen una buena señal de potencia cuando la salida está en regulación, umbral de encendido de precisión, protección contra sobrevoltaje de salida, apagado térmico, monitoreo de temperatura, sincronización de reloj, selección de modo y protección contra cortocircuito de salida. El dispositivo está disponible en un paquete LQFN compacto de 18 conductores y 3 mm × 3 mm.

Características clave de LTC3310S

El LTC3310S es una solución pequeña y compacta que requiere componentes externos mínimos, como se ilustra en el esquema que se muestra en la Figura 3. El LTC3310S utiliza Arquitectura PWM de frecuencia constante. Hay tres formas de configurar la frecuencia del interruptor: es programable de 500 kHz a 5 MHz a través de una resistencia (RT) conectada desde el pin RT a tierra; se puede sintonizar de 0,5 MHz a 2,25 MHz sincronizando el circuito PLL interno con una frecuencia externa aplicada al pin MODE/SYNC; o se puede permitir que se establezca por defecto el reloj interno nominal de 2 MHz.

Figura 3. Esquema completo del LTC3310S con componentes externos mínimos.

A diferencia de los reguladores de conmutación típicos, la operación a alta frecuencia de conmutación no degrada la eficiencia de conversión del LTC3310S, lo que puede afectar negativamente la disipación de calor. Mirando la Figura 4, la eficiencia de conversión nominal del 90 % cuando se pasa de una entrada de 3,3 V a una salida de 1,2 V está cerca de su clasificación de corriente total de 10 A.

Figura 4. Pérdida de potencia de LTC3310S frente a eficiencia de conversión.

Conclusión

El diseño del circuito de conversión de potencia óptimo para los sistemas de transporte óptico ha implicado tradicionalmente importantes compensaciones de rendimiento en resolución, rendimiento de EMI y disipación de potencia. Incluso los diseñadores de fuentes de alimentación conmutadas estacionales admitirán que los tres no se pueden maximizar. Este ya no es el caso. Dispositivos analógicos de alimentación por lineal El LTC3310S logra un tamaño pequeño, baja EMI y baja disipación de energía en un solo circuito integrado de fuente de alimentación. Esto es particularmente importante para los equipos de comunicación de fibra óptica, donde se requieren bajas emisiones EMI para evitar la transmisión de datos y donde el espacio es muy limitado.

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