SFP光模块热仿真：模型研究

​在路由器和交换机中，通过光纤、电缆、光模块进行传输和接收数据。这些光模块封装有很多种类型，如Xenpaks 、X2s 、XFP’s 、SFP、SFP+、QSFP 等。本文针对SFP模块的热模拟技术进行讨论和研究。

图1 SFP光模块

图2 收发信原理图

SFP模块的内部结构如图3所示。

图3 SFP模块内部结构

典型的SFP模块由光发射(TOSA )、光接收(ROSA )、相关IC、电路、PCB和外壳组成。SFP光模块通过激光器传输数据。激光的性能和寿命取决于它工作的环境(局部)温度和这些器件封装的热特性及其他相关因素。因此，在热分析过程中，对系统中的SFP模块进行准确的模拟是十分必要的。

理想情况下，最好对SFP进行详细建模。一些供应商确实提供了商用CFD软件包 (如Flotherm 或Icepak )中SFP模块的热模型。但是，因为光模块在设备中数量很大，全部使用详细模型，往往带来巨大的仿真工作量。

Raghupathy和Shen[2]比较了在系统中建模SFP模块的不同方法，并分析了每种方法的优缺点。本文将简要分析不同的研究方法，并回顾其研究结果。

研究并提出了四种建模方法进行比较:

1)详细模型

2)集总参数法模型

3)双热阻模型

4)基于DELPHI的网络热阻模型

在详细模型[1]中，SFP模块具有尽可能多的细节。该模型建立在自然对流实验基础上，分两个阶段进行。从Raghupathy等人的文献[4]中可以得到SFP的热模型的详细信息以及为验证和生成独立于边界条件的热模型而建立的实验装置。将该方法所得结果与其他三种建模方法所得结果进行了比较。虽然详细模型只是产生了大约600,000个网格，但如果进行系统级求解时，全部应用详细模型，将带来巨大的计算量，甚至无法计算。

热设计工程师最常用的模型简化方法是将SFP建成一个块模型，并赋予固定的导热系数，我们叫做集总参数法模型，并在整个块模型上均匀分布功耗。虽然可能不同的工程师所使用的导热系数值不同，但并不代表这样做就一定有问题，因为SFP壳体的导热系数很高，而且一般情况下，壳体表面的热梯度并不大。但这种方法在系统中有多个模块时，计算网格也不少。在这项研究中，研究人员使用的导热系数k=114 W/m-K，即Zamac合金。

在双热阻模型中，作者使用了沈等人开发的[5]模型。双电阻模型解决了网格数和计算资源的问题。在这种方法中，研究人员考虑了不同的流速(强制对流)，并将结果与基于DELPHI网络模型进行了比较。

本研究还使用了Raghupathy等[4,6]较早开发的基于DELPHI网络热阻模型 。这种方法使用9个网格单元相当准确地捕获SFP模块内的热流和温度。

基于以下边界条件，对四种模型进行了比较:

1）自然散热下，有无散热器

2）不同流速(100 m/s、200 m/s和400 m/s)

在自然散热的案例研究中，一个没有鼠笼的SFP被垂直放置，如图4所示。

图4 自然散热，有/无散热器的SFP模块Flotherm模型

图5 2X4鼠笼，用于强迫对流设置的Flotherm模型

对于强迫对流研究，将8个SFP模块置于2X4 鼠笼中，如图5所示。对鼠笼进行详细建模。SFP的编号如图6所示，20℃环境下，气流速度分别为100 m/s、200 m/s和400 m/s。

图6 强制对流下SFP编号

为了确保环境不会在模型之间发生变化，系统级Flotherm模型中均采用相同模型。

自然对流研究结果如表1和表2所示。对于这两种情况，使用Rj-c = 0.1℃/W和Rj-b = 50℃/W的双热阻。对于带有散热器的情况，在热模型中使用了用于SFP封装的典型散热器。

表1 无散热器情况下各种简化模型与详细模型的差异

表2 带散热器情况下各种简化模型与详细模型的差异

自然散热情况下，无论有无散热器，DELPHI模型的误差在两种情况下都最小。然而，集总参数法块模型误差也在7%的合理范围内。结果表明，集总参数法模型误差可以在10%以内，对于初始仿真及评估是可行的。要进行详细的分析，最好使用DELPHI模型。

表3 强迫对流情况下，所采用的结壳、结板热阻取值

表4 强迫对流下，风速为1m/s的误差比较

对于强制对流模拟，不同风速下的Rj-c和Rj-b值如表3所示。取值参考Shen[5]。

表4显示了SFP温度，当入口气流设置为均匀的1m /s时。可以看出，集总参数法块模型误差在5%以内。DELPHI模型误差在4%以内，相对集总参数法块模型，DELPHI模型计算资源要求更小，每个SFP只需要9个节点。双热阻模型虽然和其他两种相比误差偏大，但准确度仍然可以达到95%以上。

表5 强迫对流下，风速为2m/s的误差比较

表5显示了当流速设置为2 m/s时SFP的温度。集总参数法块模型的温度精度在97%以内，而DELPHI的误差略高于以前。双热阻模型稍好，误差小于5%。

表6 强迫对流下，风速为4m/s的误差比较

表6显示了当流速设置为4 m/s时SFP的温度。这里集总参数法块模型比双热阻模型稍微好一点，但是它们的误差都小于10%。有趣的是，DELPHI在较高流速下，仿真温度略高于预期温度（详细模型的结果），这样采用DELPHI模型就成为了一种相对保守的方法。在[2]中可以找到更多关于DELPHI模型误差较大原因的讨论。

我们已经看到，基于Raghupathy et. Al[2]等人所做的工作，在使用集总参数法块模型，导热系数设置为117 W/m-k的SFP模块进行热仿真时，仿真精度将在90%以内。另一种选择是双热阻模型，但双热阻模型的精度明显和流速相关。

DELPHI模型虽然克服了双热阻模型的边界条件依赖性，但其精度水平略有下降。此外，DELPHI模型的设计比较复杂，不同的SFP模块，DELPHI模型是不相同的。

综上所述，采用集总参数法块模型在仿真设计初期进行方案选择时应用，精度是可以接受的。如果知道流速，因为双热阻模型对网格需求最小，采用双热阻模型有助于迭代分析。当流速不知道且系统中SFP模型非常多，即使采用块模型都网格多，那么DELPHI模型是获得合理热仿真结果的一种有效方法。

本文翻译自：Qpedia文章-Thermal modeling of SFP Device

此文章发表于2014年，虽然比较老，但也给我们提供了仿真模型简化中的一些选择。尽管当前仿真软件、计算设备能力大有提高，但较大的系统设备中，光模块数量相当之大，例如一台大型数据中心交换机，可能会有16槽×48口，即768个光模块，如果全部采用详细模型，网格数量将十分巨大，以至于无法计算，或计算效率极地。适当的采用简化模型，或简化模型和详细模型混合使用是一种提升效率且保证仿真误差在可接受范围的方式。具体如何混合使用，或采用块模型、双热阻模型、DELPHI模型？参考本文结论适当选择。

References:

1. http://www.startech.com

2. Raghupathy, A.P., and Shen, J., “Thermal Analysis of Opto-Electronic Packages – the DELPHI- Based Compact Thermal Model and Other Modeling Practices in the Industry.” 26th IEEE SEMI-THERM Symposium 2009.

3. http://www.dz863.com

4. Raghupathy, A.P., Aranyosi, A., Ghia, U., Ghia, K., and Maltz, W., “Development of Boundary-Condition Independent Compact Thermal Models for Opto-Electronic Packages.” ASME Interpack, IPACK 2009- 89092, San Francisco, CA, July 2009.

5. Shen, J., and Raghupathy, A.P., “ASimplified CFD Modeling Technique forSmall Form Factor Pluggable Transceiver.” Proc. SEMITHERM 2010, San Jose, CA, Feb 21-25, 2010.

6. Raghupathy, A.P., Aranyosi, A., Ghia, U., Ghia, K., and Maltz, W., “Validation Studies of a DELPHI-type Boundary-Condition- Independent Compact Thermal Model for an Opto-Electronic Package with Multiple Heat Sources.” Proc. THERMINIC 2009, Leuven, Belgium, Oct 7-9, 2009.