Тепловое исследование оптического модуля 200G QSFP-DD LR4

Благодаря быстрому развертыванию сетей связи 5G и строительству мощных центров обработки данных по всему миру спрос на пропускную способность связи стремительно растет. Спрос на пропускную способность оптической передачи свыше 100G на уровне агрегации и ядра оптических транспортных сетей 5G, а также спрос на полосу пропускания в центрах обработки данных быстро растут. Эти факторы способствуют быстрому развертыванию оптических модулей 200/400G с более высокими скоростями передачи.

С другой стороны, низкая стоимость и экологически чистые требования к низкому углероду стимулируют разработку оптических модулей для миниатюрной упаковки и компактных форм упаковки, таких как Quad Small Form Factor Pluggable-Double Density (QSFP-DD) и Octal Small Form Factor Pluggable. (OSFP) постепенно заменяют форм-фактор 100G Centum Pluggable (CFP) и его улучшенную форму CFP2 в качестве основных форм-факторов для оптических модулей 200G и 400G.

QSFP-DD — это новый пакет высокоскоростных подключаемых модулей, спецификации которого были выпущены в 2016 году и получили большое внимание, а после нескольких модификаций продукты QSFP-DD стали доступны в 2018 году. Электрический интерфейс пакета имеет 8 каналов и может может использоваться для передачи по сети 200 или 400G с помощью модуляции без возврата к нулю (NRZ) или 4-импульсной амплитудной модуляции (PAM4). Его обратная совместимость с QSFP+/QSFP28/QSFP56 и другими пакетами QSFP помогла отрасли удовлетворить спрос на сменные оптические модули высокой плотности и высокой скорости следующего поколения, и оптические модули 200/400G в корпусах QSFP-DD все чаще используются. .

В связи с широким распространением высокоскоростных оптических модулей со скоростями выше 100 Гбит/с вопрос рассеивания тепла модулями стал предметом более пристального внимания. FiberMall берет оптический модуль 200G QSFP-DD LR4 (Long Range 4) в качестве объекта исследования, моделирует и анализирует влияние теплоотвода на изменение внутренней температуры модуля во время работы, а также изучает эффект рассеивания тепла внутри модуля при различных параметрах. , который дает справку по выбору параметров радиатора и оптимизации оптического модуля QSFP-DD.

1. Имитационная модель теплового анализа оптического модуля QSFP-DD

По сравнению с упакованными оптическими модулями QSFP модули 200G и 400G КСФП-ДД упакованные оптические модули экспоненциально увеличивают скорость передачи и максимальное энергопотребление с очень небольшим изменением внутреннего размерного пространства. Например, потребляемая мощность оптического модуля 100G QSFP28 LR4 составляет всего 3.5 Вт, а потребляемая мощность оптического модуля 200G QSFP-DD LR4 составляет более 6 Вт. Это значительно увеличит нагрев и температуру внутри модуля при тех же условиях. , а требование 70 ° C для оптических модулей коммерческого класса делает требования к внутреннему рассеиванию тепла модуля более строгими. Поэтому необходимо проанализировать и изучить внутреннее тепловыделение оптических модулей QSFP-DD.

В данной статье используется метод стационарного теплового анализа, основанный на уравнении теплового баланса принципа сохранения энергии, и рассматриваются три типа режимов теплопередачи: теплопроводность, тепловая конвекция и тепловое излучение. Учитывая граничные условия постоянной температуры и информацию о мощности и теплопроводности каждого компонента в оптическом модуле, методом конечных элементов рассчитывается стационарное распределение температуры внутри модуля. Для коммерческого оптического модуля QSFP-DD моделирование устанавливает граничное условие температуры 70 ℃ со ссылкой на требование протокола о том, что температура корпуса не должна превышать 70 ℃.

Основные компоненты, выделяющие тепло внутри оптического модуля 200G QSFP-DD LR4, включают оптическую сборку передатчика (TOSA), оптическую сборку приемника (ROSA), блок цифровой обработки сигналов (DSP), блок микроконтроллера (MCU) и микросхему источника питания и т. д. В действительности модулей эти микросхемы часто устанавливаются с обеих сторон печатной платы (PCB), чтобы разместить достаточное количество компонентов в компактном внутреннем пространстве, что также облегчает передачу тепла через обе стороны модуля. На основе размерных спецификаций пакета QSFP-DD была создана имитационная модель, как показано на рисунке 1.

Рис. 1. Модель теплового моделирования 200G QSFP-DD LR4

Параметры, относящиеся к термическому анализу каждого основного компонента, приведены в таблице 1 на основе результатов измерений.

Таблица 1: Sпараметры имитации мнеотъемлемая частьs  

Компоненты	Теплопроводность/Вт/мК	Теплотворная способность/Вт	Объем/см³	Скорость выделения тепла/Вт/см³
ТОСА	17.3	1.5	0.57	2.58
розовый	17.3	1	0.53	1.87
DSP	124	7	0.25	2.76
MCU	124	0.3	0.0048	60.19
Чип питания	124	0.3	0.0059	50.04

2 Результаты моделирования

2.1 Распределение температуры внутри модуля

Распределение температуры внутри модуля при температуре корпуса 70°C показано на рис. 2, полученном методом анализа термической стабильности вышеуказанной модели.

Рис. 2. Распределение внутренней температуры модуля 200G QSFP-DD LR4 при температуре корпуса 70 °C

Температуры каждого основного компонента показаны в таблице 2.

Таблица 2 Температура каждого основного устройства внутри модуля 200GQSFP-DD LR4 при температуре корпуса 70 °C

Компоненты	ТОСА	розовый	DSP	MCU	Чип питания
Температура/°C	95.9	87.6	117.3	84.9	84.7

Как видно из табл. 2, температура большинства областей внутри модуля намного выше 70°С во внутреннем стационарном режиме при температуре корпуса 70°С. Чтобы обеспечить электромагнитную совместимость (ЭМС) и электромагнитные помехи (ЭМП) модуля, внутренняя часть модуля должна быть закрыта. По этой причине внутри модуля не может быть воздуха для конвекционного теплообмена, как у прибора, то есть основным способом отвода тепла является теплопроводность.

Нагревательный компонент модуля может проводить тепло только по воздуху, а теплопроводность воздуха очень низкая (0.03 Вт/мК), а это означает, что выделяемое компонентами тепло трудно рассеять в небольшом пространстве внутри модуля. Особенно это касается DSP. Его повышение температуры превышает 30 ℃, когда температура корпуса составляет 70 ℃, что превышает нормальный диапазон рабочих температур DSP. Если модуль находится при такой высокой температуре в течение длительного времени, это повлияет на нормальную работу каждого компонента и даже устройства.

Если меры не будут приняты, 200G КСФП-ДД Модуль LR4 имеет большой риск выхода из строя при высокой температуре 70°С. Поэтому необходимо улучшить условия отвода тепла, чтобы эффективно ограничить температуру каждого компонента безопасным диапазоном и обеспечить нормальную работу оптического модуля при температура корпуса 70°С в течение длительного времени.

2.2 Моделирование улучшения отвода тепла с помощью теплопроводных прокладок

Силиконовая пленка, наполненная керамическими частицами, представляет собой материал для заполнения зазоров с хорошей теплопроводностью, часто используемый в качестве теплопроводной прокладки для заполнения зазора между компонентом, выделяющим тепло, и корпусом продукта. В дополнение к хорошей теплопроводности, его хорошие адгезионные и компрессионные свойства могут отводить воздух между устройством, вырабатывающим тепло, и корпусом, чтобы достичь полного контакта и усилить эффект рассеивания тепла. С ростом энергопотребления оптических модулей широко используются теплопроводящие прокладки для улучшения условий отвода тепла внутри модулей.

Термопрокладки размещаются на пяти основных компонентах, выделяющих тепло, как показано на рисунке 3. Прокладки размещаются на верхней поверхности DSP, MCU, микросхемы блока питания, а также на верхней и нижней поверхностях TOSA и ROSA, так что обе стороны прокладок находятся в контакте с поверхностями компонентов и корпусом, соответственно, с целью отвода генерируемого тепла к корпусу. Теплопроводность прокладки, использованной при моделировании, составляет 7 Вт, а зазор заполнения — 1 мм.

Рисунок 3: Схематическая диаграмма теплопроводной прокладки, размещенной внутри модуля

Распределение температуры внутри модуля показано на рис. 4. Сравнение температуры основных компонентов с термопрокладкой и без нее показано на рис. 5.

Рисунок 4: Распределение температуры внутри модуля после заполнения теплопроводной прокладки

Рисунок 5: Сравнение температуры основных компонентов внутри модуля до и после заполнения прокладки теплопроводности

Как видно на рисунке 5, после заполнения термопрокладки установившаяся температура всех основных компонентов значительно падает, при этом температура чипа DSP падает ниже 80°C, а температура устройств TOSA и ROSA падает почти до 70°C, все в нормальном диапазоне рабочих температур. Таким образом, заполнение термопрокладки может эффективно улучшить условия отвода тепла внутри модуля и гарантировать нормальную работу каждого компонента при высокой температуре.

2.3 Влияние коэффициента теплопроводности прокладки на теплоотдачу

Сохраняя другие переменные неизменными, измените теплопроводность заполненной прокладки и смоделируйте изменение внутренней температуры модуля, когда он заполнен прокладками с различной теплопроводностью, как показано на рисунке 6.

Рисунок 6: Изменение температуры основных компонентов внутри модуля при заполнении его прокладками с разной теплопроводностью

Как видно из рисунка 6, с увеличением теплопроводности теплопроводной прокладки температура каждого нагревательного элемента будет снижаться, особенно для устройства с большим тепловыделением, такого как ЦСП, эффект охлаждения более очевиден. Однако зависимость между температурой и изменением теплопроводности теплопроводной прокладки не является линейной, и диапазон снижения температуры уменьшается с увеличением теплопроводности.

2.4 Влияние заполнения зазоров на температуру нагревательных элементов

Не изменяя другие переменные, установите теплопроводность термопрокладки на 7 Вт/м·К. Измените зазор между поверхностью нагревательного элемента и корпусом модуля, а затем смоделируйте изменение распределения температуры внутри модуля при различном заполнении зазоров, как показано на рисунке 7.

Рисунок 7: Температурные изменения основных компонентов модуля при различных условиях заполнения зазора

Из рисунка видно, что с увеличением заполнения зазора соответственно будет повышаться температура каждого нагревательного элемента. Особенно для устройств с большим выделением тепла, таких как DSP, эффект повышения температуры довольно очевиден. Это связано с тем, что теплопроводность чипа и оболочки почти в 15 раз выше, чем у теплопроводной прокладки. На пути отвода тепла от нагревательного элемента и корпуса чем толще прокладка, тем больше тепловое сопротивление, что, в свою очередь, приводит к большему повышению температуры. Как показано на рисунке, зазор заполнения и температура близки к линейной зависимости, что связано с тем, что теплопроводящая прокладка полностью покрывает поверхность нагревательного элемента, так что все тепло нагревательного элемента передается на оболочку через тепло. токопроводящая прокладка.

Из результатов моделирования видно, что необходимо использовать теплопроводящие прокладки с более высокой теплопроводностью. Однако стоимость теплопроводной прокладки с высокой теплопроводностью выше, а материал твердый и не поддается сжатию. Поэтому при выборе теплопроводности теплопроводной прокладки необходимо комплексно учитывать теплопроводность, твердость материала и стоимость. Хотя чем меньше заполняющий зазор, тем ниже повышение температуры, расчетный размер зазора также должен учитывать погрешность высоты корпуса и нагревательного элемента и соответствующую степень сжатия теплопроводящей прокладки. Как правило, степень сжатия термопрокладки в промышленности поддерживается на уровне от 20% до 25%, что может не только гарантировать, что термопрокладка может быть полностью заполнена в зазоре, но и гарантировать, что устройство не будет затронуто напряжение из-за чрезмерного сжатия термопрокладки. Поэтому общий расчетный размер зазора составляет 0.6 мм, заполняя термопрокладку 0.8 мм.

3. Измеренная производительность модуля

После оптимизации конструкции мы использовали теплопроводящие прокладки с теплопроводностью 7 Вт и зазором 0.8 мм, которые были прикреплены к основным внутренним компонентам модуля, как показано на рисунке 3. Передающие и приемные характеристики модуля были испытаны при температуре окружающей среды 70 °C, как показано на рисунке 8.

Рис. 8. Глазковая диаграмма оптического модуля 200GQSFP-DD LR4 при температуре 70°C, измеренная

Основные показатели работы модуля, в том числе четвертичная дисперсия передатчика (TDECQ), коэффициент экстинкции (ER) и чувствительность приема, показаны в таблице 3. Все показатели соответствуют требованиям протокола, и модуль может нормально работать при высокая температура. При этом также проверяется энергопотребление оптического модуля и температура, измеряемая встроенным датчиком. Измеренная температура в оптическом модуле значительно выше температуры окружающей среды. Когда температура окружающей среды и температура корпуса модуля составляют 70°C, температура, измеренная внутри модуля, составляет около 76°C, что указывает на то, что общий отвод тепла внутри модуля хороший, и микросхемы могут поддерживать нормальную рабочую температуру.

Таблица 3. Основные показатели производительности оптического модуля 200GQSFP-DD LR4, измеренные при 70°C

	Канал-0	Канал-1	Канал-2	Канал-3
TDECQ/дБ	2.944	2.737	2.598	2.439
Коэффициент затухания/дБ	4.195	4.047	4.34	3.958
Чувствительность приема/дБм	-9.29	-9.87	-9.07	-9.25

Таблица 4 Измеренная потребляемая мощность и внутренняя температура

Температура окружающей среды/°C	0	25	70
Внутренняя температура модуля/℃	7.55	32.1	76.8
Потребляемая мощность / Вт	5.15	5.31	6.3

4. Заключение

В сценариях практического применения общее рассеивание тепла оптическим модулем тесно связано с внутренней и внешней средой модуля. Некоторые результаты исследований показывают, что внешняя структура и окружающий воздушный поток оптического модуля будут влиять на общий эффект рассеивания тепла модуля, а затем влиять на его стабильную работу.

В этой статье в основном изучается влияние окружающей среды на рассеивание тепла оптическим модулем, особенно влияние различных параметров теплопроводящей прокладки на эффект рассеивания тепла оптическим модулем. 200 г QSFP-DD LR4 оптический модуль. Подтверждено, что добавление теплорассеивающей прокладки оказывает очевидное влияние на снижение внутренней температуры упакованного оптического модуля QSFP-DD, и что модуль соответствует стандарту для высокотемпературной среды 70°C. Эти результаты представляют собой эталон тепловой конструкции для оптических модулей 200G QSFP-DD с различными характеристиками и могут быть расширены до 400G или даже 800G КСФП-ДД оптических модулей, предоставляя полезный опыт для крупномасштабного практического применения оптических модулей в корпусной форме QSFP-DD.