Thermische Designstudie des optischen 200G QSFP-DD LR4-Moduls

Dank der schnellen Einführung von 5G-Kommunikationsnetzen und dem Bau von Rechenzentren mit hoher Kapazität auf der ganzen Welt steigt die Nachfrage nach Kommunikationsbandbreite rasant an. Die Nachfrage nach optischer Übertragungskapazität jenseits von 100G in den Aggregations- und Kernschichten von optischen 5G-Transportnetzen und der Bandbreitenbedarf in Rechenzentren wachsen schnell. Diese Faktoren treiben den schnellen Einsatz von optischen 200/400G-Modulen mit höheren Übertragungsraten voran.

Andererseits treiben Anforderungen hinsichtlich niedriger Kosten und umweltfreundlicher CO100-Emissionen die Entwicklung optischer Module hin zu miniaturisierten Gehäusen und kompakten Gehäuseformen wie Quad Small Form Factor Pluggable-Double Density (QSFP-DD) und Octal Small Form Factor Pluggable voran (OSFP) ersetzen nach und nach den 2G Centum Form-factor Pluggable (CFP) und seine verbesserte Form CFP200 als Mainstream-Formfaktoren für optische 400G- und XNUMXG-Module.

Das QSFP-DD ist ein neues Paket von steckbaren Hochgeschwindigkeitsmodulen, deren Spezifikationen 2016 veröffentlicht wurden und viel Aufmerksamkeit erregten, und nach mehreren Modifikationen wurden QSFP-DD-Produkte 2018 verfügbar. Die elektrische Schnittstelle des Pakets hat 8 Kanäle und kann für 200- oder 400G-Netzwerkübertragung über Non-Return-to-Zero (NRZ)-Modulation oder 4-Pulse-Amplituden-Modulation (PAM4) verwendet werden. Seine Abwärtskompatibilität mit QSFP+/QSFP28/QSFP56 und anderen QSFP-Paketen hat der Branche geholfen, die Nachfrage nach steckbaren optischen Modulen mit hoher Dichte und hoher Geschwindigkeit der nächsten Generation zu befriedigen, und optische 200/400G-Module in QSFP-DD-Paketen werden zunehmend verwendet .

Mit dem weit verbreiteten Einsatz von optischen Hochgeschwindigkeitsmodulen mit Raten über 100 G ist das Problem der Modulwärmeableitung einer genaueren Prüfung unterzogen worden. FiberMall nimmt das optische Modul 200G QSFP-DD LR4 (Long Range 4) als Forschungsobjekt, modelliert und analysiert die Wirkung des Kühlkörpers auf die interne Temperaturänderung des Moduls während des Betriebs und untersucht den Wärmeableitungseffekt innerhalb des Moduls unter verschiedenen Parametern , die eine Referenz für die Auswahl der Kühlkörperparameter und die Optimierung des optischen QSFP-DD-Moduls bietet.

1. Simulationsmodell der thermischen Analyse des optischen QSFP-DD-Moduls

Im Vergleich zu den QSFP-verpackten optischen Modulen sind die 200G und 400 G QSFP-DD Verpackte optische Module erhöhen die Übertragungsrate und den maximalen Stromverbrauch exponentiell bei sehr geringer Änderung des internen Dimensionsraums. Beispielsweise beträgt der Stromverbrauch des optischen 100G-QSFP28-LR4-Moduls nur 3.5 W, während der Stromverbrauch des optischen 200G-QSFP-DD-LR4-Moduls mehr als 6 W beträgt. Dies erhöht die Wärme und Temperatur im Inneren des Moduls unter den gleichen Bedingungen erheblich , und die Anforderung von 70°C für handelsübliche optische Module macht die internen Wärmeableitungsanforderungen des Moduls strenger. Daher ist es notwendig, die interne Wärmeableitung optischer QSFP-DD-Module zu analysieren und zu untersuchen.

Dieser Artikel verwendet die Methode der stationären thermischen Analyse, basierend auf der Wärmebilanzgleichung des Prinzips der Energieeinsparung, und betrachtet drei Arten von Wärmeübertragungsmodi: Wärmeleitung, Wärmekonvektion und Wärmestrahlung. Ausgehend von den Randbedingungen konstanter Temperatur und den Angaben zu Leistung und Wärmeleitfähigkeit jeder Komponente im optischen Modul wird die Temperaturverteilung im stationären Zustand innerhalb des Moduls nach der Finite-Elemente-Methode berechnet. Für das handelsübliche optische QSFP-DD-Modul legt die Simulation die Temperaturgrenzbedingung von 70 °C unter Bezugnahme auf die Anforderung des Protokolls fest, dass die Gehäusetemperatur 70 °C nicht überschreiten sollte.

Zu den wichtigsten wärmeerzeugenden Komponenten im optischen Modul 200G QSFP-DD LR4 gehören die optische Sender-Unterbaugruppe (TOSA), die optische Empfänger-Unterbaugruppe (ROSA), die digitale Signalverarbeitung (DSP), die Mikrocontrollereinheit (MCU) und der Stromversorgungschip usw. Tatsächlich Modulen werden diese Chips oft auf beiden Seiten der Leiterplatte (PCB) montiert, um genügend Komponenten in einem kompakten Innenraum unterzubringen, was auch die Wärmeübertragung durch beide Seiten des Moduls erleichtert. Basierend auf den Maßangaben des QSFP-DD-Pakets wurde ein Simulationsmodell erstellt, wie in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1: Thermisches Simulationsmodell von 200G QSFP-DD LR4

Die Parameter bezüglich der thermischen Analyse jeder Hauptkomponente sind in Tabelle 1 basierend auf den gemessenen Ergebnissen angegeben.

Tabelle 1: SSimulationsparameter von meine Komponentes  

Komponenten	Wärmeleitfähigkeit/W/mK	Brennwert/W	Volumen/cm³	Wärmefreisetzungsrate/W/cm³
TOSA	17.3	1.5	0.57	2.58
ROSA	17.3	1	0.53	1.87
DSP	124	7	0.25	2.76
MCU	124	0.3	0.0048	60.19
Netzteil-Chip	124	0.3	0.0059	50.04

2 Simulationsergebnisse

2.1 Temperaturverteilung im Inneren des Moduls

Die Temperaturverteilung im Inneren des Moduls bei 70 °C Gehäusetemperatur ist in Abbildung 2 dargestellt, die durch die thermische Stabilitätsanalysemethode des obigen Modells erhalten wird.

Abbildung 2: Interne Temperaturverteilung des 200G QSFP-DD LR4-Moduls bei 70 °C Gehäusetemperatur

Die Temperaturen jeder Hauptkomponente sind in Tabelle 2 gezeigt.

Tabelle 2 Temperatur jedes Hauptgeräts im 200GQSFP-DD LR4-Modul bei 70 °C Gehäusetemperatur

Komponenten	TOSA	ROSA	DSP	MCU	Netzteil-Chip
Temperatur/°C	95.9	87.6	117.3	84.9	84.7

Wie aus Tabelle 2 ersichtlich ist, ist die Temperatur der meisten Bereiche innerhalb des Moduls viel höher als 70 °C im internen stationären Zustand bei einer Gehäusetemperatur von 70 °C. Um die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) und elektromagnetische Interferenz (EMI) des Moduls zu gewährleisten, muss das Innere des Moduls geschlossen sein. Aus diesem Grund kann das Innere des Moduls keine Luft für den Konvektionswärmeaustausch wie das Instrument haben, das heißt, der Hauptweg der Wärmeableitung ist die Wärmeleitung.

Die Modulheizungskomponente kann Wärme nur durch die Luft leiten, während die Wärmeleitfähigkeit von Luft sehr gering ist (0.03 W/mK), was bedeutet, dass die von den Komponenten erzeugte Wärme auf dem kleinen Raum innerhalb des Moduls nur schwer abgeführt werden kann. Dies gilt insbesondere für DSP. Sein Temperaturanstieg übersteigt 30 °C, wenn die Gehäusetemperatur 70 °C beträgt, was den normalen Betriebstemperaturbereich des DSP überschritten hat. Wenn das Modul für längere Zeit einer so hohen Temperatur ausgesetzt ist, wird der normale Betrieb jeder Komponente und sogar des Geräts beeinträchtigt

Wenn keine Maßnahmen ergriffen werden, wird die 200 G QSFP-DD Das LR4-Modul hat ein großes Ausfallrisiko bei einer hohen Temperatur von 70 ° C. Daher ist es notwendig, die Wärmeableitungsbedingungen zu verbessern, um die Temperatur jeder Komponente effektiv auf einen sicheren Bereich zu begrenzen und den normalen Betrieb des optischen Moduls sicherzustellen eine Gehäusetemperatur von 70 °C über längere Zeit.

2.2 Simulation der Verbesserung der Wärmeableitung durch Wärmeleitpads

Mit Keramikpartikeln gefüllte Silikonfolie ist ein lückenfüllendes Material mit guter Wärmeleitfähigkeit, das häufig als wärmeleitendes Pad verwendet wird, um die Lücke zwischen der wärmeerzeugenden Komponente und dem Produktgehäuse zu füllen. Zusätzlich zu einer guten Wärmeleitfähigkeit können seine guten Adhäsions- und Kompressionseigenschaften die Luft zwischen der wärmeerzeugenden Vorrichtung und dem Gehäuse abführen, um einen vollständigen Kontakt zu erreichen und den Wärmeableitungseffekt zu verbessern. Mit dem steigenden Stromverbrauch von optischen Modulen wurden wärmeleitfähige Pads weithin verwendet, um die Wärmeableitungsbedingungen innerhalb der Module zu verbessern.

Die Wärmeleitpads werden, wie in Abbildung 3 gezeigt, auf den fünf wichtigsten wärmeerzeugenden Komponenten platziert beide Seiten der Pads sind in Kontakt mit den Komponentenoberflächen bzw. dem Gehäuse, um die erzeugte Wärme zum Gehäuse zu leiten. Die Wärmeleitfähigkeit des in der Simulation verwendeten Pads beträgt 7 W, der Füllspalt 1 mm.

Abbildung 3: Schematische Darstellung des im Modul platzierten Wärmeleitpads

Die Temperaturverteilung im Inneren des Moduls ist in Bild 4 dargestellt. Den Temperaturvergleich der Hauptkomponenten mit und ohne Wärmeleitpad zeigt Bild 5.

Abbildung 4: Temperaturverteilung im Inneren des Moduls nach dem Befüllen des Wärmeleitpads

Abbildung 5: Vergleich der Temperatur der Hauptkomponenten im Inneren des Moduls vor und nach dem Befüllen des Wärmeleitpads

Wie in Abbildung 5 zu sehen ist, sinkt nach dem Füllen des Wärmeleitpads die stationäre Temperatur aller Hauptkomponenten erheblich, wobei die Temperatur des DSP-Chips unter 80 °C fällt und die Temperatur der TOSA- und ROSA-Bausteine ​​auf fast sinkt 70°C, alles im normalen Betriebstemperaturbereich. Daher kann das Füllen des Wärmeleitpads die Wärmeableitungsbedingung innerhalb des Moduls effektiv verbessern und den normalen Betrieb jeder Komponente bei hohen Temperaturen garantieren.

2.3 Auswirkung des Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten des Pads auf die Wärmeableitung

Ändern Sie die Wärmeleitfähigkeit des gefüllten Pads, während Sie andere Variablen unverändert lassen, und simulieren Sie die Änderung der Innentemperatur des Moduls, wenn es mit Pads mit unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit gefüllt wird, wie in Abbildung 6 gezeigt.

Abbildung 6: Temperaturänderungen der Hauptkomponenten im Inneren des Moduls, wenn es mit Pads unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit gefüllt wird

Wie aus Fig. 6 ersichtlich ist, nimmt mit zunehmender Wärmeleitfähigkeit des wärmeleitenden Pads die Temperatur jedes Heizelements ab, insbesondere bei Geräten mit großer Wärmeerzeugung wie DSP ist der Kühleffekt offensichtlicher. Die Beziehung zwischen der Temperatur und der Änderung der Wärmeleitfähigkeit des wärmeleitenden Pads ist jedoch nicht linear, und der Temperaturabfallbereich nimmt mit zunehmender Wärmeleitfähigkeit ab.

2.4 Auswirkung des Füllens von Spalten auf die Temperatur von Heizelementen

Stellen Sie bei unveränderten anderen Variablen die Wärmeleitfähigkeit des Wärmeleitpads auf 7 W/m·K ein. Ändern Sie den Spalt zwischen der Oberfläche des Heizelements und dem Modulgehäuse und simulieren Sie dann die Änderung der Temperaturverteilung im Inneren des Moduls mit unterschiedlichen Füllspalten, wie in Abbildung 7 gezeigt.

Abbildung 7: Temperaturänderungen der Hauptkomponenten im Modul bei unterschiedlichen Füllspaltbedingungen

Aus der Figur ist ersichtlich, dass mit zunehmendem Füllspalt die Temperatur jedes Heizelements entsprechend ansteigt. Besonders bei Geräten mit großer Wärmeentwicklung wie DSP ist der Temperaturanstiegseffekt ziemlich offensichtlich. Dies liegt daran, dass die Wärmeleitfähigkeit des Chips und der Hülle fast 15-mal höher ist als die des wärmeleitenden Pads. Im Wärmeableitungspfad des Heizelements und der Schale gilt: Je dicker das Pad, desto größer der Wärmewiderstand, was wiederum zu einem größeren Temperaturanstieg führt. Wie in der Abbildung gezeigt, stehen der Füllspalt und die Temperatur in einer nahezu linearen Beziehung, was daran liegt, dass das wärmeleitende Pad die Oberfläche des Heizelements vollständig bedeckt, sodass die gesamte Wärme des Heizelements durch die Wärme auf die Hülle übertragen wird leitfähiges Pad.

Aus den Simulationsergebnissen ist ersichtlich, dass Wärmeleitpads mit höherer Wärmeleitfähigkeit verwendet werden müssen. Die Kosten für wärmeleitende Pads mit hoher Wärmeleitfähigkeit sind jedoch höher, und das Material ist hart und lässt sich nicht leicht komprimieren. Daher sollten bei der Auswahl der Wärmeleitfähigkeit des wärmeleitenden Pads die Wärmeleiteigenschaft, die Materialhärte und die Kosten umfassend berücksichtigt werden. Obwohl je kleiner der Füllspalt, desto geringer der Temperaturanstieg, sollte die Auslegungsgröße des Spalts auch den Höhenfehler der Schale und des Heizelements und die entsprechende Kompressionsrate des Wärmeleitpads berücksichtigen. Im Allgemeinen wird die Kompressionsrate des Wärmeleitpads in der Industrie zwischen 20 % und 25 % gehalten, wodurch nicht nur sichergestellt werden kann, dass das Wärmeleitpad den Spalt vollständig ausfüllt, sondern auch sichergestellt wird, dass das Gerät nicht beeinträchtigt wird Belastung durch zu starkes Zusammendrücken des Wärmeleitpads. Daher beträgt die allgemeine Entwurfsgröße des Spalts 0.6 mm und füllt 0.8 mm Wärmeleitpad aus.

3. Gemessene Modulleistung

Nach der Optimierung des Designs verwendeten wir Wärmeleitpads mit einer Wärmeleitfähigkeit von 7 W und einem Abstand von 0.8 mm, die an den Hauptkomponenten des Moduls angebracht wurden, wie in Abbildung 3 gezeigt. Die Sende- und Empfangsleistung des Moduls war getestet bei einer Umgebungstemperatur von 70 °C, wie in Abbildung 8 gezeigt.

Abbildung 8: Augendiagramm des optischen Moduls 200GQSFP-DD LR4 bei 70 °C gemessen

Die wichtigsten Leistungsindikatoren des Moduls, einschließlich Transmitter Dispersion Eye Closure Quaternary (TDECQ), Extinction Ratio (ER) und Empfangsempfindlichkeit, sind in Tabelle 3 aufgeführt. Alle Indikatoren erfüllen die Anforderungen des Protokolls, und das Modul kann normal arbeiten hohe Temperatur. Gleichzeitig wird auch die Leistungsaufnahme des optischen Moduls und die vom eingebauten Sensor gemessene Temperatur getestet. Die gemessene Temperatur im optischen Modul ist deutlich höher als die Umgebungstemperatur. Wenn die Umgebungstemperatur und die Temperatur des Modulgehäuses 70 °C betragen, beträgt die im Inneren des Moduls gemessene Temperatur etwa 76 °C, was darauf hinweist, dass die gesamte Wärmeableitung im Modul gut ist und die Chips die normale Arbeitstemperatur aufrechterhalten können.

Tabelle 3 Hauptleistungsindikatoren des optischen Moduls 200GQSFP-DD LR4, gemessen bei 70 °C

	Kanal 0	Kanal 1	Kanal 2	Kanal 3
TDECQ/dB	2.944	2.737	2.598	2.439
Extinktionsverhältnis/dB	4.195	4.047	4.34	3.958
Empfangsempfindlichkeit/dBm	-9.29	-9.87	-9.07	-9.25

Tabelle 4 Gemessener Stromverbrauch und Innentemperatur

Umgebungstemperatur/°C	0	25	70
Innentemperatur des Moduls/℃	7.55	32.1	76.8
Stromverbrauch/W	5.15	5.31	6.3

4. Fazit

In praktischen Anwendungsszenarien ist die Gesamtwärmeableitung des optischen Moduls eng mit der internen Umgebung und der externen Umgebung des Moduls verbunden. Einige Forschungsergebnisse zeigen, dass die äußere Struktur und der umgebende Luftstrom des optischen Moduls den Gesamtwärmeableitungseffekt des Moduls beeinflussen und dann seinen stabilen Betrieb beeinträchtigen.

Dieser Artikel untersucht hauptsächlich den Einfluss der Umgebung auf die Wärmeableitung des optischen Moduls, insbesondere den Einfluss verschiedener Parameter des Wärmeleitpads auf den Wärmeableitungseffekt 200 G QSFP-DD LR4 optisches Modul. Es wurde bestätigt, dass das Hinzufügen eines Wärmeableitungspads eine offensichtliche Auswirkung auf die Reduzierung der Innentemperatur des QSFP-DD-verpackten optischen Moduls hat und dass das Modul den Standard in der Hochtemperaturumgebung von 70 °C erfüllt. Diese Ergebnisse stellen eine thermische Designreferenz für optische 200G-QSFP-DD-Module mit verschiedenen Spezifikationen dar und können auf 400G oder sogar erweitert werden 800 G QSFP-DD optische Module, die nützliche Erfahrungen für die groß angelegte praktische Anwendung optischer Module in QSFP-DD-Gehäuseform liefern.