一颗专为光模块场景优化的DCDC：GM2500

之前写了共模的 LDO 和基准源，接下来看看他们的 DCDC 产品线；这部分内容会更加的丰富，使用场景也更加的广泛。

这个片子应该是去年就推出了

这个片子应该是去年就推出了

一如既往的风格

一如既往的风格

GM2500是一个小体积、高效、低 EMI、同步 6A 降压DC/DC变换器，其中LQFN-12封装的芯片体积为 2mm x 2mm x 0.74mm，是业界目前最小尺寸的5V/6A降压芯片。采用共模独有的Turbo Switch技术，GM2500可工作于高达9MHz的开关频率，使得该产品能够实现超高的功率密度，不仅能降低纹波和EMI辐射，还能减少外围元器件数量并缩小整体方案的尺寸，从而优化系统成本。（好滴，这段是官网的引文，我们后面可以逐步揭晓）

对标 LT 的型号是 3309

对标 LT 的型号是 3309

一颗转为光模块场景优化的DCDC

这个 DCDC 的设计，完全就是按照使用场景来的：

这里主要展示光模块

这里主要展示光模块

光模块大概就是这个样子的

光模块大概就是这个样子的

可以把光信号转换成以太网的电信号，光的转换就需要大量的电荷，换言之需要大量的能量，而这只是AFE 的，这其中还需要大量的数学运算，其中 DSP 也是一个耗能大户。

转换中

转换中

内部结构

内部结构

GM2500 用在光模块（Optical Transceiver / SFP / QSFP ）里有什么优势？

结合光模块信号路径图（电→光→电）进行说明；光模块内部典型结构：

SerDes → 驱动芯片 → 激光器（Tx）
TIA → SerDes（Rx）
MCU / CDR / DSP
EEPROM、时钟、监控电路

所有这些都要求：小尺寸电源，低噪声，低 EMI，高速瞬态，高效率（散热有限）；而 GM2500 正好与光模块的需求高度匹配。

1. 2×2mm 超小封装 —— 适合紧凑的 SFP/QSFP 模块

光模块内部空间极其有限（特别是 SFP28、QSFP-DD、OSFP），能挤出 5×5mm 区域都很困难。

GM2500 的封装只有：

很小了

很小了

这对光模块特别关键，因为内部还有：

激光器驱动（Laser Driver），TIA，CDR/Retimer，小 DSP，EEPROM；而供电区域通常只有非常狭窄的一条电源区（靠近金手指）。

箭头处

箭头处

GM2500 的极小尺寸让它可以毫无困难地放在：SerDes 旁，Laser Driver 旁，TIA 前端附近，EEPROM / MCU Vcc 附近；完全满足光模块对 小体积电源 的要求。

也正是因为小，所以关键电源轨都可以使用：

可以选择不同的输出电流 DCDC

可以选择不同的输出电流 DCDC

低 EMI 封装架构 —— 不干扰激光器、TIA、CDR

光模块是对 EMI 极其敏感的系统，因为内部有：高增益 TIA（跨阻高达 kΩ），高速 CDR（时钟恢复），激光器 bias / mod 电路（低漂移需求），PAM4 DSP（高速调制）

如果电源 EMI 很差，会导致：接收光信号 SNR 降低，TIA 输出噪声上升，CDR 锁相困难，激光器调制眼图变差，FEC BER 升高

GM2500 的低 EMI 封装特点：

所以只有短短一句话，但是却至关重要

所以只有短短一句话，但是却至关重要

一句话总结：什么叫“低 EMI 封装架构”？

它指的是：

通过芯片封装本身的引脚排列、接地结构、内部铜层/走线优化，使高 dV/dt 与大 di/dt 的开关电流环路在封装内部就被“压缩得极小”，从源头降低电磁辐射（EMI）。

也就是说：不是靠外部滤波器，而是封装本身结构就让 EMI 变小；这就是“低 EMI 封装架构”。

为什么 DC/DC 会产生强 EMI？

Buck 降压转换器中最主要的 EMI 来源，是图中的高频、尖锐、快速变化的 SW 节点：

VIN → High-Side FET
           │
           ├── SW（几百 MHz 的 dV/dt）
           │
      Low-Side FET → PGND

在 几十 ns、甚至 <5 ns 的开关瞬间：SW 会从 0→5V、或 5V→0，在 几纳秒内跳变 → dV/dt 非常大（几百 V/ns）

通过 FET 的电流也在极短时间内反转 → di/dt 大（几 A/ns）

两个现象会形成：

辐射 EMI（天线效应）

SW + 电感 L + 电流环路面积构成一个“开关天线”。

传导 EMI

高速电流在回路中跳变 → 传递到 VIN、GND 轨；所以控制“电流环面积”和“电流回流路径”是关键。

那么“低 EMI 封装架构”做了什么？（以 GM2500 为例）

GM2500 在封装引脚、内部走线和引脚分配上做了大量优化：

双 VIN + 双 PGND 引脚（把高频回路压缩到封装内部）

手册 Page 4 的引脚图可见：

image-20251121114010364

VIN（3、8）与 PGND（4、7)是成对出现的，其作用是：两组 VIN–PGND 让 输入高频电流回路极短

高频电流回路路径：

VIN → High-Side FET → SW → 电感
                          ↓
                      PGND → 返回 VIN

双 PIN 让这个环路：更短、更对称、更低寄生感；这是一种典型的 EMI 优化封装结构。

SW 引脚紧靠 PGND（减少寄生电感）

Page 4（引脚描述）可见：

SW 引脚（5、6）紧挨着 PGND（4、7）；封装内部的 High-Side FET → SW → Low-Side FET → PGND 路径极短

作用：SW 产生的辐射（E 字段）更少，对周围模拟节点耦合更少， di/dt 电流环路 ~ 封装内闭合，不泄漏到 PCB 大面积；这也是典型的 优化开关节点布局。

对普通封装的 DC/DC来说：就像在 PCB 上放一个“电磁噪声源”，开关节点、电流回路大多暴露在 PCB 上，EMI 很大。

而低 EMI 封装架构的 DC/DC（如 GM2500）：制造商把最危险的电流环路（High-Side → SW → Low-Side → PGND）全部“压缩”“藏”在封装内部、最短路径内。

这是我截图的封装

这是我截图的封装

只需要：把 VIN 旁边放两个 10 µF 去耦；SW 到电感走非常短的线；底部焊盘做好接地过孔阵列，就能得到几乎“自动低 EMI”的效果。

低 EMI 封装 = 用封装内部结构来缩小高频电流环路，降低寄生、电感、回路面积，使 EMI 在封装内部就被抑制，并减少其向 PCB/空气扩散。

它从最源头解决 EMI 问题，而不是靠外围滤波补救；这些对于光模块尤为重要，因为：

光模块的基板（28G / 56G / 112G 速率）对 EMI 极度敏感，电源噪声甚至可以降低整个链路的 BER 容限。

GM2500 给激光器和 CDR 提供一个更干净的电源，是一个巨大优势。

把高频回路简化成一个矩形电流环

大环路（左图）：12 mm × 8 mm，普通布局 / 高频电流在 PCB 上绕得比较大一圈

小环路（右图）：4 mm × 2 mm，表示低 EMI 封装 + 紧凑输入去耦回路（比如 GM2500 把 VIN/PGND/SW 紧挨在一起）

每个矩形由 4 条线段组成，我把每条边离散成很多小电流元，用简化 Biot–Savart 叠加“场强”：

这里只看相对大小，不带 μ0/2π 之类的常数。

在一个 20 mm×20 mm 的平面上取网格

x, y ∈ [-10 mm, 10 mm]

对每个网格点，计算到电流环各小段的距离 r，然后累加 I/r²

最后做对数（log10）压缩 → 画成热力图

左图：大环路（普通布局）

中间那块区域就是场强最高的地方；热区面积非常大，往外扩展的圈也比较宽；这代表：高频电流环面积大 → 在更大范围内产生电磁场 → 更强辐射 EMI，可以把它想象成一个“天线面积很大”的环路。

右图：小环路（低 EMI 封装 + 紧凑 VIN/PGND/SW）

热点仍然集中在环路附近，但范围明显缩小、外圈衰减更快；亮区更集中在 SW/VIN/PGND 这一小块；高频电流在一个很小的几何区域里闭合 → 对外“泄漏”的磁场小很多 → EMI 自然更低

这就是像 GM2500 这种 低 EMI 封装架构要做的事：把最“凶”的那一圈高 di/dt 电流，压缩在芯片封装内部 + 紧贴的输入电容之间。

Hot Loop 的反向磁场抵消机制

GM2500 的封装为什么能显著降低 EMI？

除了把 Hot Loop 分成两个更小的 loop 之外，这两个 loop 的电流方向相反，因此远场磁感线会抵消；两个小 loop 会比一个大 loop EMI 小得多（面积缩小 → 降低源强度）。

传统 Buck 的 Hot Loop：VIN → HS FET → SW → CIN → PGND；面积约为 6–10 mm²

GM2500 通过封装把其拆成两个独立、紧凑的小环路：VIN1–SW1–PGND1，VIN2–SW2–PGND2。

面积只有原来的约30–40%。

面积 A 减小，辐射场 ~A 线性下降：

这已经能减少 8–12 dB 的 EMI；但 GM2500 的厉害之处 不止于面积变小。

两个 Hot Loop 的电流方向相反 → 形成磁场抵消（关键）

GM2500 内部 MOSFET 的布局是对称的。

当高边 MOS 导通时：

VIN1 loop ：电流从 VIN1 → HS → SW → PGND1

VIN2 loop ：电流从 VIN2 → HS → SW → PGND2

这两条路径在封装中呈镜像关系。

更重要的是： 这两个 loop 在空间中的磁场方向是相反的， 其磁场线在远处强烈抵消

可以想象成两个靠得很近的反向电流环：

Loop A：顺时针
Loop B：逆时针

它们形成类似：

push-pull 磁偶 —— 远场辐射抵消

这是一个经典电磁学现象：

越远越明显 —— 因为磁偶的远场衰减比单极子快得多。

远场磁辐射的场型变成“差分模式”，辐射大幅降低

传统单 Hot Loop：产生强烈的环形磁场，类似一个磁偶极子 → 辐射强

GM2500 双反向 Hot Loop：形成复合磁场；远场近似“二阶多极子”；辐射强度显著下降

从多极子理论：

远场大幅变弱，定性的看也有助于降低emi

右图：两个反向 Hot Loop（GM2500 类封装）

左右两个矩形：

左：电流方向顺时针（I = +1）

右：电流方向逆时针（I = −1）

背景颜色同样代表 log |H|

会发现：两个环路附近依然有局部热点（近场肯定存在能量）;中间和远处区域明显“暗”很多 → 场强下降得更快;也就是说：远场的磁场已经被两个反向环路大幅抵消了

这就直观印证了你：

“除了形成两个更小的 hot loop 之外，这两个 loop 的电流方向相反，远场磁感线会在一定程度上互相抵消。”

支持高频（最高 9 MHz）— 输出滤波器可极度缩小

光模块 PCB 面积寸土寸金，传统 DC/DC 用 1MHz 频率，需要：

L = 470nH 或 1µH

Cout = 22~47µF，面积太大。

GM2500 支持：最高 9 MHz；电感可以用 68nH 或 100nH，输出电容可以用 4.7µF × 2。

第一个是 TDK 的

第一个是 TDK 的

这样就可以把 DC/DC 区压到很小的几毫米范围内，特别适合：SFP28，QSFP28，QSFP-DD，OSFP；高频带来的小磁性器件尺寸远超一般电源 IC，这是光模块最需要的能力之一。

快速瞬态响应 — 适合 SerDes、Laser Driver 突发负载

光模块的负载典型是：驱动激光器（EDA、EMA 功率）瞬间跳变，SerDes TX 启停，DSP 工作负载突变，模拟电路 LDO 前级电压骤变

GM2500 的峰值电流模式 + 快速调节能力可以在几百 ns 内恢复而无需外部补偿Cff 也可以微调

这对以下场景非常重要：激光器调制，因为调制峰值电流对电源瞬态很敏感；CDR 带宽切换；DSP/MCU 突发工作；TIA/ADC 需要稳定的前级供电，GM2500 的瞬态响应优于大部分普通 2MHz 降压器，更适合低纹波场景。

良好的轻载效率 + 强制连续模式选项

光模块往往在以下情况下进入低功耗：光链路 idle，ITU 省电模式，CDR 进入 low-power，激光器降功率 / 停止发射

GM2500 可选择三种模式：

Pulse Skip适合轻载、效率优先

Forced Continuous适合同步外时钟 / 带宽可控

Sleep（非常低 quiescent 电流）适合光模块 idle 状态；对于 QSFP-DD/OSFP 来说，功耗预算非常严格（例如 7W、12W、15W），轻载效率很关键。

重要的同步时钟功能

对于平时的应用，可能一颗 DCDC 就够了，也不需要考虑多颗一起使用，如果需要在一个系统使用多颗的时候就要进行时钟同步了

只有一个引脚

只有一个引脚

外部给 GM2500 的 MODE/SYNC 引脚输入一个方波时钟，GM2500 的开关频率会被“锁定”到该外部时钟的上升沿 → 所有周期都严格对齐。

也就是：GM2500 自己的振荡器不再自由振荡，PWM 周期完全跟随外部来源，相位 + 频率都被“抓住”；这就是 同步开关技术（Synchronized Switching）。

手册原文（第 12 页）写得很清楚：

SYNC 引脚输入外部时钟时，PWM 全部锁定到外部时钟上升沿，GM2500 这时进入 强制连续模式（CCM）

而允许的同步频率范围：1–3 MHz 或 3–8 MHz，但是要求 RT 设定的内部频率与外部频率差不超过 **±30%**（用于锁相起始）

当外部时钟消失后：GM2500 会在约 10 µs 内检测到，自动切回内部频率运行

时钟同步有什么用？

多路 DC/DC 相位错开，降低 EMI、降低纹波

如你板上有 4 个 GM2500 给 FPGA 四个 rail 供电；如果它们“各自独立震荡”，每个频率都略有差异，会产生：叠加噪声，EMI 不稳定，总纹波随机变化，输入电流噪声随机合成（peak 抖动）

如果给它们一个公共时钟并 错相（phase-shift）：

第一个：0°

第二个：90°

第三个：180°

第四个：270°

这样结果非常漂亮：峰值输入电流不重叠 → 输入纹波大幅降低；EMI 从混乱尖峰 → 变成可控窄带；多路电源运作更安静；许多汽车、服务器、通信电源都需要这个。

避免 beat 频率（拍频）干扰模拟系统

如果有：ADC，高速放大器，精密传感器（MEMS、磁传感器），无线接收机（RF front-end）；而多个 DC/DC 之间不同频率会产生拍频 beat：

如：

一路为 2.00 MHz，一路为 2.05 MHz，那beat = 50 kHz，会在系统看到 50 kHz 的干扰“嗡嗡声”；如果同步所有开关 → 没有拍频频率 → 干净得多。

让系统对 EMI 认证更“可控”

同步后：EMI 谱线只在特定频率上，频率不漂移，不会出现包络、低频调幅、杂散线条，CISPR25 / CISPR32 更容易过；很多汽车设计必须用外部同步。

与主 MCU/FPGA 时钟协调

可以把 DC/DC 的开关频率 避免放在系统敏感带宽附近：比如我的 ADC 采样频率为 800 kHz，那我不希望 DC/DC 的频率在 800 kHz 的整数倍附近；所以把 DC/DC 同步到一个安全频率（如 2.4 MHz）；这样DC/DC 与 ADC/Clock Domain 不冲突，避免混叠、IF 干扰

让多个降压同步时不“互相扰动”

当多个开关电源频率不同，它们的：输入电感，供电轨，EMI，输出电容会互相耦合，造成随机尖峰，抖动，不稳定噪声；同步后它们变成“整齐划一”的开关系统，噪声大幅变干净。

“时钟同步”底层怎么工作？

内部就是：

外部时钟上升沿 → 复位内部锯齿振荡器
                   ↓
PWM 立即开始新周期（强制同步）
                   ↓
高边开通
                   ↓
检测到峰值电流 → 关断

所以：频率 lock（固定），相位 lock（上升沿对齐），PWM 周期一致；这类似于，PLL 锁相环，数字时钟同步。

时钟同步的意义 = 让多个 DC/DC 变成一个“有组织、有纪律”的系统，而不是各自自由振荡的噪声源，从而减少 EMI、避免拍频、改善纹波、提升系统可控性。

仿真同步

为什么多个 DC/DC 不同步会产生拍频？（Beat）

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看到的第一张图：

500 kHz  +  520 kHz  → 输入波形出现大尺度“涨落”

这就是典型的 拍频：

所以时域波形呈现：高频 500~520k 之间的快速波动，外面叠加一个 20 kHz 的大 envelope（包络）

在 FFT 图中：除了 500k、520k，还能看到明显的 20 kHz 杂散峰

首先EMI 非常难过（因为拍频的包络 → 低频射频成分大）；输入纹波增大（流向前级母线、电池）；让 ADC、放大器、传感器出现 20kHz 的干扰，多个开关电源之间的噪声互相耦合

这就是为什么 GM2500 数据手册特别说：

输入外部时钟 → 锁定频率 → 进入强制连续模式（CCM）（Page 12）

同步后（相位错开）为什么输入纹波会明显干净？

第二张图显示：

两个 DC/DC 同频率、相位错开 180° → 
输入纹波大幅抵消

为何抵消？

每个周期内：

电源 A：在 0° 开通

电源 B：在 180° 开通

所以它们的输入电流 错峰出现：

A: |****    |****    |**** ...
B: |    ****|    ****|    ****...
Sum: 平均化 → 峰值减小

结果： 输入电流峰值降低约 50%，输入纹波显著下降，这是多相电源的核心原则。

频域图：同步后为什么 EMI 没有拍频？

500 kHz 主峰

520 kHz 主峰

20 kHz 大杂散（拍频）

低频噪声很糟糕

（同步后）

（同步后）

只有 500 kHz 的单一系列谐波，没有拍频；谱更窄更干净；更容易符合汽车、通信、服务器 EMI 标准

这就是为什么 GM2500 提供 SYNC 引脚：

可锁相到 1–3 MHz 或 3–8 MHz 的外部时钟。

同步 = EMI 从 “混乱 + 扩散” → “干净 + 可控”。

为什么 GM2500 在同步时自动进入强制连续模式（CCM）？

非常关键的一点；当 SYNC 激活时，数据手册写：

“器件工作在强制连续模式”（Page 12）

原因如下：

原因 1：避免轻载时跳脉宽导致相位失锁

跳变模式（PSM/跳脉宽）下：每个周期可能跳过；输入时钟 → 无法锁相；SW 频率不连续；同步失效

因此必须：强制固定频率 = 强制连续模式（CCM）

原因 2：为了保持“相位关系”完整

多相并联时：

A：相位 0°

B：相位 180°

如果轻载跳脉宽 → 一个周期有脉冲、一个周期无脉冲→ 相位关系混乱

因此同步必须：每周期都保持 PWM → 也必须 CCM

原因 3：保证 EMI 线性与可预测性

跳脉宽会产生频谱扩展，高频与低频的调制；出现大量低频杂散；同步时必须：每周期都执行这样保证 EMI 谱线固定

这就是强制连续模式的本质。

时钟同步 = 限制 DC/DC 的频率 + 相位，使其成为一个“纪律严明”的振荡器，而不是自由震荡的噪声源。 这样 EMI 更干净、输入纹波更低、不会有拍频、可用于多相并联，也不会扰乱系统时钟域。