DS1863：集成监控功能的突发模式PON控制器

一、引言

在无源光网络（PON）系统中，对突发模式收发器的精确控制和监控至关重要。Dallas Semiconductor（现Maxim）的DS1863芯片为PON系统提供了集成的控制和监控解决方案，能够满足多种PON标准的要求，下面我们就来详细了解一下这款芯片。

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二、产品概述

2.1 基本功能

DS1863用于控制和监控无源光网络（PON）收发器的所有突发模式发射器和视频接收器偏置功能。它具备一个带有跟踪误差补偿的APC（平均功率控制）环路，为激光驱动器的偏置电流提供参考；还有一个温度索引查找表（LUT），用于控制调制电流。同时，芯片内部的快速比较器可持续监控高输出电流、高偏置电流以及高低发射功率，确保在不添加外部组件的情况下满足激光安全关闭要求。

2.2 关键特性

• 符合多种标准：满足BPON、GPON和GEPON突发模式收发器的时序要求。
• 偏置和调制电流控制：APC环路提供偏置电流控制，带有跟踪误差补偿；调制电流由温度索引查找表控制。
• 功率电平设置：支持0dB、 - 3dB、 - 6dB功率电平设置，无需额外校准。
• 温度传感器：内置直接数字温度传感器。
• 模拟监控通道：拥有五个模拟监控通道，可监控温度、VCC以及三个外部监控输入（MON1、MON2、MON3）。
• 故障管理系统：具备全面的故障管理系统，具有可屏蔽的激光关闭功能。
• 密码保护：提供两级密码访问，保护校准数据。
• 接口：具有I2C兼容接口，用于校准和监控。
• 工作条件：工作电压范围为2.85V至3.9V，工作温度范围为 - 40°C至 + 95°C，采用16引脚无铅TSSOP封装。

三、电气特性

3.1 绝对最大额定值

芯片对各引脚的电压和温度都有明确的限制，例如VCC、SDA和SCL引脚相对于地的电压范围为 - 0.5V至6V，BEN、TX - D、TX - F、MON1 - MON3、BMD相对于地的电压范围为 - 0.5V至VCC + 0.5V（不超过 + 6V）。工作温度范围为 - 40°C至 + 95°C，编程温度范围为0°C至 + 70°C，存储温度范围为 - 55°C至 + 125°C。

3.2 推荐工作条件

在推荐工作条件下，电源电压VCC范围为 + 2.85V至3.9V，不同引脚的高低电平输入电压也有相应要求。例如，SDA、SCL、BEN的高电平输入电压VIH:1范围为0.7 x VCC至VCC + 0.3V，低电平输入电压VIL:1范围为 - 0.3V至0.3 x VCC。

3.3 电气参数

• 电源电流：ICC典型值为5mA，最大值为7mA。
• 输出泄漏电流：SDA、TX - F的输出泄漏电流ILO最大值为1µA。
• 输出电压：SDA、TX - F、FETG的低电平输出电压VOL在不同负载电流下有不同值，FETG的高电平输出电压VOH在I OH = 4mA时为VCC – 0.4V。

四、功能模块详解

4.1 APC控制

BIAS电流由平均功率控制（APC）环路控制。APC环路采用数字技术克服了控制突发模式系统的困难。其反馈是监测二极管（BMD）电流，通过外部电阻转换为电压，该反馈电压与一个8位可缩放电压参考进行比较，以确定系统的APC设定点。通过编程Table 02h中的一个字节，可以对APC DAC进行范围设置。同时，DS1863有一个查找表（TE LUT），可根据温度改变APC设定点，以补偿跟踪误差。

4.2 调制控制

MOD电压通过内部温度索引查找表进行控制。MOD输出是一个8位可缩放电压输出，与MAX3643的VMSET输入接口。通过外部电阻设置VMSET输入的最大电流。调制LUT可在 - 40°C至 + 102°C范围内以2°C为增量进行编程，为激光调制提供温度补偿。同样，通过编程Table 02h中的一个字节，可以对MOD DAC进行范围设置。

4.3 初始上电时的BIAS和MOD输出

上电时，调制和偏置输出将保持关闭，直到VCC高于VPOA，完成温度转换，并且如果VCC LO ADC警报启用，VCC转换高于客户定义的VCC低警报级别清除VCC低警报。满足这些条件后，MOD输出将根据温度转换和调制LUT的值启用。当MOD输出启用且BEN为高电平时，IBIAS DAC输出将开启，通过二进制搜索快速达到与适当功率电平对应的偏置电流。

4.4 APC/快速跳闸共享比较器时序

DS1863的输入比较器在APC控制环路和三个快速跳闸警报（HTXP、LTXP和HBIAS）之间共享。比较器以循环复用序列轮询警报，每8次比较中有6次用于APC环路偏置电流控制，另外2次用于检查HTXP/LTXP和HBIAS信号。芯片具有可编程的比较器采样时间，以适应155Mbits/s至1250Mbits/s的突发模式发射器数据速率。

4.5 监控与故障检测

• 快速跳闸监控：提供四个快速跳闸监控器，用于检测潜在的激光安全问题，包括高偏置电流（HBIAS）、低发射功率（LTXP）、高发射功率（HTXP）和最大输出电流（MAX IBIAS）。这些监控器的阈值可通过I2C接口进行编程。
• ADC监控：五个ADC通道监控温度、VCC、MON1、MON2和MON3。每个通道具有可编程的满量程范围和偏移值，ADC结果与高低警报阈值和警告阈值进行比较，相应的警报可触发TX - F或FETG输出。

4.6 输出控制

• TX - F输出：TX - F输出有用于五个ADC警报和四个QT警报的屏蔽寄存器，可选择哪些比较导致其置位。除FETG外，所有警报仅在警报条件持续时使TX - F保持激活状态。
• FETG输出：FETG输出也有屏蔽寄存器，其输出极性可编程，用于通过外部MOSFET关闭激光二极管电流。当FETG输出触发时，表示DS1863处于关闭状态，需要TX - D、软TX - D或电源循环来复位。

五、内存映射

DS1863具有六个内存库，包括Lower Memory和Table 01h - Table 05h。Lower Memory包含警报和警告阈值、标志、掩码、控制寄存器等。Table 01h主要包含用户EEPROM和一些警报和警告状态字节；Table 02h是多功能空间，包含配置寄存器、缩放和偏移值、密码、中断寄存器等；Table 03h是受PW2级密码保护的用户EEPROM；Table 04h包含用于控制调制电压的温度索引查找表；Table 05h包含用于补偿跟踪误差的APC设定点查找表。

六、I2C通信

6.1 I2C定义

• 主设备：控制总线上的从设备，生成SCL时钟脉冲、START和STOP条件。
• 从设备：根据主设备的请求发送和接收数据。
• 总线空闲：STOP和START条件之间，SDA和SCL都处于高电平的状态。
• START条件：主设备发起新数据传输时生成。
• STOP条件：主设备结束数据传输时生成。
• 重复START条件：主设备在一次数据传输结束后立即发起新数据传输时使用。

6.2 通信操作

• 单字节写入：主设备生成START条件，写入从设备地址字节（R / (bar{W}=0)），写入数据字节，生成STOP条件。
• 多字节写入：主设备生成START条件，写入从设备地址字节、内存地址，最多写入8个数据字节，生成STOP条件。
• 单字节读取：主设备生成START条件，写入从设备地址字节（R / (bar{W}=1)），读取数据字节，发送NACK表示传输结束，生成STOP条件。
• 多字节读取：主设备在读取数据字节时根据需要发送ACK，读取最后一个字节时发送NACK表示传输结束，生成STOP条件。

七、总结

DS1863芯片为PON系统提供了全面的控制和监控解决方案，其丰富的功能和灵活的配置使其能够满足不同应用场景的需求。在实际设计中，工程师需要根据具体的系统要求，合理设置芯片的参数和寄存器，以确保系统的稳定性和可靠性。同时，对于芯片的电气特性和工作条件，也需要严格遵守，避免超出其额定范围导致芯片损坏。大家在使用DS1863时，有没有遇到过什么特别的问题呢？欢迎在评论区分享交流。