海思总工10年经历，道出做好硬件工程师的“真相”

我从来不认为自己很出众，既不是聪明人，人生更没有一路开挂，只是有点好运气。十年间，我从一个没有光学知识背景的学生来到光电领域，从事了光模块开发，又机缘巧合地从开发转到维护，从维护又转到开发，每一次转身都像一次冒险，却让我有机会更接近做好硬件工程师的“真相”。

光模块实际上是围绕光器件应用、以硬件为主体的小系统产品，在光电领域做硬件就是做产品。在我看来，产品应该追求极致而非完美。产品最怕的不是有缺点，而是缺乏亮点。做产品就是要找到客户真正的痛点，然后将其解决方案做到极致。

不怕丢面子，才会有面子

当年，和我一起入职武研海思光电的有20个应届毕业生，我们当中有学光的、学电的，但是搞光电硬件两者都要懂，所以当时大家的学习氛围很好，互相补短，思想导师还充当了知识导师。可不凑巧的是，入职一个月时，我的导师就突然被安排出长差。导师这一走，我感觉自己成了“孤儿”，看着别人都有老师指点，内心那个羡慕啊。一次，部门老员工给新员工赋能，问了一个电路问题，结果我这个学电的答不上来，反倒被一个电路基础几乎为零的同事抢答。太丢人了，还好意思说自己是学电的？又不是没做过类似电路，怎么问题一深入就发懵答不上来？这事对我触动很大，看来不能光吃老本，是真要下番苦功夫了。

为了进步，我这个师傅不在身边的“孤儿”，只好想办法吃“百家饭“，怕丢面子就没面子，不怕丢面子，才有面子。 之后，我一遇到想不明白的问题就找机会向老员工请教，也不管人家是做测试的还是搞架构的，是主攻软件还是主攻硬件的。有次，我又拿同一个问题去“骚扰”老员工，他边忙边丢了一句“下次记不住就记本子上啊！”我还不置可否，反正脸皮厚，有收获就好。直到有次经历让我碰了壁，才明白“好记性不如烂笔头”的道理。那天，我刚定位完硬件问题，准备用光纤组网，却不知道哪个光纤跳线是好的，傻乎乎地用肉眼找。谁知老员工早看出我的窘境，提醒我说：“你拿光功率计带着光纤和不带着光纤都测一下不就知道了？“我一听顿时傻了眼：是啊，怎么就没想到用工具？后来回想起来，我不是不会用工具，而是缺乏对物理原理的了解，不知道怎么用，更不知道怎么用最简单的办法解决问题。

我被这事一“激”，更感自己基础薄弱，既然天资一般，不如老老实实拿个本子做笔记，基础知识、反面案例、经验总结全都记在里面。就这么坚持了好多年，直到现在。最后，转正答辩的时候，我“特有面儿”地拿到了A，也更加坚信输在起跑线不可怕，努力总能追得上。

“摸鱼”，摸出来的电路灵感

2012年，光电开发首款突发接收模块。虽然突发接收模块和之前做过的连续接收模块有少许相似，但当时业界只有一套方案，成本很高，性能也不好。与此同时，业界只有一家芯片厂家在开发对应的集成芯片，且还在优化改版。这对于连突发接收的know-how都不清楚的我们来说，实在是太难。这就好比，过去我们是开着灯在10米的范围内看清一个靶子上贴的字条，现在变成了在闪光灯不停干扰的情况下，我们要在更远的区域看到多个分散的靶子上写的字。而我的任务更是棘手，要在一次闪光的时间内预判特定靶子离你有多远（就是所谓的突发光功率接收上报）。

开发前，为了快速上手，团队还找了行业大牛请教突发接收原理，但事后我发现原理性的东西虽很有帮助，但只能指引大的方向，微观上的细节还需自己摸索。在攻关的那段时间里，我也在一直思考，对于连续的同速率甚至更高速的模块原来都可以一板搞定，为什么这个模块做了这么多版还是在功能和性能上有问题，特别是某一个场景上报时产生了极大的问题，让已经延期一次的项目时间变得更紧。为了节约时间，我趁着焊工不在的时候，自己在芯片上搭电路飞0201电阻以及电容调参数，可问题依然存在。

项目交付的压力以及一次又一次的失败，让我慢慢失去了耐心。就在这时，幸运之神在我的头顶转了个“圈”。在一次实验室休息的间隙，我和兄弟们想不如放放音乐缓解下压力，于是十分魔性地用手机放了一曲《大悲咒》，没想到居然来了灵感。我看着手机的喇叭，突然联想到音响里有个储能电容，我们接收机不是也有个类似的大电容吗？怎么之前就把它给忽略了？我和同事们一讨论，发现大家在做连续接收模块时，根本不需要大电容，但这却是解决突发快速放电的关键。既然接收机内部的电容我们动不了，那就在外部增加电路加快它的响应速度,。思路一打开，困扰我许久的难点也迎刃而解，不仅加快了放电速度也加快了突发电流产生的时间 , 将整体时间压缩了8倍左右，最终主力版本也如期交付。

实际上在攻关突发接受上报的技术点时，还有一个更具挑战但不紧急的任务，就是寻求突破，实现低成本突发接收功能。我结合前期查阅的论文以及突发接收原理材料做出了一套电路，但经测试发现，设计电路的时候没有考虑极限温度，电路不太稳定。虽然后来知道怎么改，但是已经错过了降成本的空窗期，再做的价值意义已不大，这让我很沮丧。但是这次失败的研究，却让我从真正意义上深入了解了突发的原理和电路设计的关键点。没过多久机会就来了，客户不断提出诉求，希望再提升光模块性能，而且还要快速交付。于是，我把低成本突发接收功能技术用在这个版本上，结合研究时识别的提升光模块灵敏度关键点，并优化电路架构，不仅一版成功，而且还将光模块做到了业界性能以及成本最优。将竞争对手甩在了后面，帮助客户持续溢价盈利。

这几次经历让我深深明白了，要做好一个硬件产品，必须得完全了解所用元件的原理和构成以及物理特性，没有深入骨髓的理解，就不可能有全盘的考虑。哪怕产品在通往极致的路上，走了些弯路也别着急，坚持了，你就赢了。

别人说做不出来的，也许我可以试试

2015年海思PON光模块产品提速，客户产品线同时想提升端口密度，那就需要更小封装的配套产品，可业界的同类产品都是大封装，无法匹配。各厂家经过尝试，仅M公司的功耗和性能满足基本应用要求。但我要解决的是，不仅把产品的功耗降下去，还要把性能提上来。但其实这两者是矛盾的，功率大，性能强，功耗自然就高，唯一的办法只能是尽量压缩功耗。

分析来分析去，我发现TEC是模块中那些功耗损失的大头。为了找到方案，我不断搜索论文，看专利，试图找到破解之法，后来，我听说其他领域模块的团队之前尝试过很多方案，便邀请他们看下我的方案给点思路建议，可是他们直接否定了我认为的“短期最可行”方案。其中一个专家更直言不讳：“这个方案只是看起来很美，我们之前试过，不成立的。” 回到座位后，我一直思考他说的话，但并不想就此放弃，心里盘算着再继续往深研究一下。

于是我又去找专家仔细了解了他们之前验证的全过程，倒推他们是哪里出了问题。一遍一遍推演论证，终于被我发现，不成立是由于应用场景不同导致的。他们觉得行不通的电路原理却适用于我这种波长相对不敏感的场景，最终我们通过实际验证获得了30%的TEC功耗降幅收益。有了这个竞争优势，就这样我们团队的产品又火了一把。

时代在发展，经验固然非常重要，但是要想做好硬件，万不可过分迷信过往的经验。 一样的产品问题面对不同的场景和时间，往往解决办法是差异化的。面对你要使用的器件，就得深入去了解它的特点，多问一些为什么，才能有针对性地去设计，找到最优解。而这种不断优化的探索精神，其实是每一位硬件工程师化腐朽为神奇的魔法。

如果要把单板做个比喻，我认为它在产品里就像是身体的骨骼， 是驱动全身的关键。要想将硬件设计做到极致，不仅要了解周边部件的特点，也要将自己的硬件设计做到恰到好处。我父亲是国家恢复高考后的第一批大学生，他常告诉我：有些事只要想做好，就不能只做个“差不多”。 这句话也贯穿他整个职场生涯，即便他后面做了管理者，依然在技术上精益求精。父亲对我影响很大，从我开始做光模块到现在，我都认定了一件事，那就是做出好产品，跟“差不多先生”说NO，才能离“极致”更近一点，再近一点。

声明：本文转载自《华为人》，文中观点不代表本号立场；图片来自网络，侵删。

TI助力高速光模块市场，提供高集成度更小封装电源解决方案

（一）高速光模块的市场概况

近些年，高速光模块市场迎来快速增长。5G基建建设的持续推进和互联网时代数据市场的需求爆发持续刺激着对50G/100G/200G/400G高速光模块的需求。全球100G/200G/400G的光模块在未来3到5年预计会以30%的CAGR持续增长。

图1：高速光模块的市场出货量（Y16-Y22F）

5G基站建设架构从RRU+BBU进化到AAU+CU+DU推动出前传光模块，中传光模块及回传

光模块市场需求：

1.前传光模块主要使用在AAU到DU之间的光信号传输，集中在25G和50G的高速光模块。前传光模块的市场需求量相比于后两者更大，在未来四年预计有48Mu的市场需求量。

2.中传光模块主要应用在DU和CU之间的光电信号转换。这一部分的数据量更大，中传光模块主要集中在50G和100G的高速光模块，预计在未来四年的总市场需求量在16Mu。

3.回传光模块主要应用于CU与承载网服务器之间，有着最高的信号速率要求，集中于100G，200G及400G，未来四年的市场需求在7Mu。

图2：5G基站建设的整体架构

数据中心市场对高速光模块的需求在仅几年也持续提高。得益于两点：

1.传统三层网络结构式服务器架构向叶脊架构数据中心的进化：大大增加了数据中心内部交换连接点的数量，对应提高了对高速光模块的数量需求；

图3：数据中心架构演进

2.互联网时代加成云计算云存储概念，持续点燃着数据中心的建设。我国数据中心数量也从2012年的1万个到如今的7.4万个，已建成的超大型、大型数据中心数量占比达到12.7%。数据中心市场的持续升温也同样刺激着高速光模块的市场需求。

（二）TI电源及信号链解决方案助力光模块小体积布板设计

光模块产品本身体积较小，工程师在使用体积较大的电源及信号链芯片时，往往会使设计受限于Layout。TI提供完整的高速光模块供电链路供工程师设计参考使用。具体参考如下框图：

图4：TI参考推荐高速光模块供电轨方案

从金手指的3.3V接口供电到各个光模块内的不同应用单元，TI都提供了不同类型的超小封装电源及信号链产品解决方案。我们将从如下4个主要的功能大块做详细介绍：

1.激光发射器驱动器（LDD）供电单元：

针对于不同厂家的激光发射器驱动器的供电电压的不同，在此处的电源方案设计分为两种不同的拓扑类型：Buck电源解决方案和Buck-boost电源解决方案。较普遍的供电电流需求在小于3A。较高开关频率的DC/DC芯片可以降低对电路设计时外围功率电感的感量和最大不饱和电流值的要求，进而提高整个布板效率。同时高开关频率的DCDC电源芯片对输出电流的纹波抑制也有较高的抑制作用。

Buck电源解决方案汇总如下。TI提供两种不同类型的Buck芯片：转换器芯片及电源模块。高开关频率的转换器芯片可以有效降低电感尺寸进而精进占板面积。而集成度更高的电源模块产品将电感及部分输入输出电容集成，不仅在精进占板面积上有更优质的表现，同时在降低EMI，简化设计上为工程师提供便捷。

表1：TI适用于LDD驱动方案的buck产品选型表

Buck-Boost电源解决方案适用于一些激光发射器驱动芯片供电电压大于3.3V的情况。TI提供高开关频率的Buck-Boost芯片：TPS61099B。

TPS61099B是一颗即使在轻载下仍然通过强制PWM控制方案以保证在全负载范围内都能很好的抑制输出电源的高频纹波。3MHz的开关频率及1.23 x 0.88mmWCSP的封装极大的减小了整体电源方案的布板面积。1A的最大开关节点电流限制，适用于电流需求小于1A的绝大部分应用。如下是TPS61099B的典型应用电路。通过少量的外围无源元件即可实现。

图5：TPS61099B典型电路应用

2.PAM4DSP或者主MCU供电单元：

传统的10G及10G以下的光模块设计中，MCU的功耗往往相对较低，采用3A及以下的Buck降压芯片可以满足供电电源的参数设计。在50G及以上的高速光模块中，尤其是对于更多通道更远传输距离的LR4/ER4等高速光模块，往往不仅要采用功耗更高的PAM4-DSP控制芯片，还会加入FPGA单元提高数据的处理能力。这时，3A及以上的Buck降压芯片往往被工程师所采用。基于目前收集的对供电电源的要求，TI提供如下电源解决方案供光模块硬件工程师选择：

表2：TI适用于PAM4DSP 或主MCU的buck产品选型表

3.APD高压驱动单元

雪崩光电二极管(Avalanche Photon Diode, APD)常在需要进行远距传输的光模块中在接收端的光电信号转换中被使用。在光电二极管的PN结上加上反向偏压后，射入的光被PN吸收后会形成光电流，加大反向偏压会产生雪崩（光电流成倍激增）的现象。同时利用了载流子的雪崩倍增效应来放大光电信号以提高检测的灵敏度。APD往往需要大于35V的高压进行驱动。TI提供集成有非同步升压及电流镜的TPS61391以驱动高压APD。

TPS61391是一颗集成非同步升压转换器及电流镜电路的APD驱动芯片。可以将金手指提供的3.3v的端口电压最大升压到85V。800mA的开关节点电流值可以保证在85V的高压输出情况下仍然能提供10mA的驱动电流值。内置的1：5和4：5的电流镜可以根据不同精度的电流监测自动无缝切换。700KHz的开关频率使得在外部电感设计的过程中，即使在占空比较小的情况下也能有效的控制电感体积。TPS61391的封装是3x3的QFN封装，占板面积相对较小。

同时TI也推出了TPS61390以应用在低速PON光模块。在内置与TPS61391相同规格的非同步升压转换器和电流镜电路的同时，继续集成采样保持电路，以适应FTTH典型网络中突发型光信号的接收。

如下是TPS61391的典型电路应用：

图6：TPS61391典型电路应用

4.EML激光发射器驱动电路：

EML激光发射器的驱动电路对于激光器电光信号转换的质量起到了重要的作用。针对于EML激光器，工程师在设计过程中主要涉及到EA负压驱动、恒电流光功率控制、TEC控制。

针对于TEC控制，TI提供通过Buck-boost芯片实现TEC控制，相比于传统的H桥控制模式，方案占板面积更小，成本更低，同时整体方案仍能保持在90%。TI提供的参考设计TIDA-050017为参考解决方案，以TPS63802/TPS63805为核心，通过数字化的温度PID控制以实现对EML激光器的恒温控制。

图7：基于TPS63802的TIA温度控制设计

针对于多通道高速光模块中EA负压驱动及恒流光功率控制，TI最新推出了一款高集成度的EML激光器驱动及监测芯片AMC60804。如下是AMC60804的内部系统框图。AMC60804内部集成有4路IDAC、4路VDAC以及12路ADC。IDAC可以提供从0到150mA的驱动电流，VDAC可以最大可以实现-5V到0V或0V到+5V的输出电压范围。同时，AMC60804也内置一个12通道的ADC。4路ADC采样IDAC的端口电压值，4路ADC采样VDAC的引脚电流值，AMC60804仍外置出4个通道的ADC采样，以实现部分光模块客户需求的LOS检测功能。ADC通道检测的结果可以通过AMC60804内置的寄存器去读写。AMC6084的封装是仅有2.5 x 2.5mm的WCSP封装，极大的优化了多通道高速光模块在设计布板时的难度。AMC60804是一颗专门用于EML激光器驱动及监测的芯片，目前已经量产，工程师可以在TI官网上找到完整的数据手册以及用于EVM调试的上位机软件AMC60804-EVM。

图8：AMC60804的典型框图

（三）本文小结

本文介绍了高速光模块近年来的市场情况，同时汇总了TI德州仪器高密度电源及信号链解决方案，囊括了光模块硬件设计工程师主要会用到的几个关键电源的设计。后续将持续更新光模块相关专题，汇总在光模块应用中可能使用到的运放单元，负载开关单元及多通道小封装的DAC/ADC芯片，同时会详细更新本文提到的基于Buck-boost开关型芯片的TEC控制，AMC60804的详细使用以及多种不同的单通道负压供电方案。

关于德州仪器 (TI)

德州仪器（TI）（纳斯达克股票代码：TXN）是一家全球性的半导体公司，致力于设计、制造、测试和销售模拟和嵌入式处理芯片，用于工业、汽车、个人电子产品、通信设备和企业系统等市场。我们致力于通过半导体技术让电子产品更经济实用，创造一个更美好的世界。如今，每一代创新都建立在上一代创新的基础之上，使我们的技术变得更小巧、更快速、更可靠、更实惠，从而实现半导体在电子产品领域的广泛应用，这就是工程的进步。这正是我们数十年来乃至现在一直在做的事。

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