Wie man SFP-Steckverbinder in Ihrem PCB-Layout verwendet

SFP-Steckverbinder werden verwendet, um Daten in Glasfaser-Transceivermodule zu leiten, die normalerweise in Hochgeschwindigkeits-Netzwerkgeräten zu finden sind. Heute jedoch hatte ich mehrere Designanfragen, die den Einsatz von Glasfaser-Transceivern außerhalb einer Rechenzentrumsumgebung beinhalten. Neuere Systeme in der Sensorfusion, MIMO-Systeme, robuste OpenVPX-Switches und einige industrielle Roboter müssen riesige Datenmengen zurück zu einem Arbeitsplatz oder Server streamen, wobei die Datenströme leicht 10 Gbps pro Lane überschreiten können.

So viele Daten von einem kleinen eingebetteten Gerät zu streamen, erfordert entweder einen Glasfaser-Transceiver oder ein gebündeltes Mini-Koaxial-Interconnect. Letzteres ist immer noch ein sperriger Steckverbinder über Kupfer, daher bin ich nicht überrascht, dass Ingenieure einen SFP-Formfaktor für Produktionssysteme anfordern. Da ich erwarte, dass dies in Zukunft noch zunehmen wird, habe ich beschlossen, diesen kurzen Leitfaden über die korrekte Verwendung von SFP-Steckverbindern und Transceivermodulen, die auf diese sehr hohen Datenraten abzielen, vorzubereiten.

Erste Schritte mit einem SFP-Steckverbinder

Der Small Form Factor Pluggable (SFP) Steckverbinder ist dafür konzipiert, direkt mit Modulen zu verbinden, die eine Schnittstelle zu Kupfer oder Glasfaser bieten. Diese werden allgemein für Glasfaserverbindungen im Datenzentrum verwendet, obwohl diese Verbindungen, wie ich oben erwähnt habe, nun auch anderswo zu finden sind. Der Steckverbinder ist so gestaltet, dass er eine hot-swappable Schnittstelle für Transceiver-Module wie das unten gezeigte Cisco 10G Modul bietet.

Typen von SFP-Steckverbindern

Das Modul umfasst einen Satz von Kontakten entlang der Kante, die in den SFP-Steckverbinder eingesteckt werden, und der SFP-Steckverbinder wird als standardmäßige SMD-Komponente auf der PCB montiert. Es gibt mehrere Typen von SFP-Steckverbindern, die sich mit Transceivern verbinden, die unterschiedliche Datenraten unterstützen:

• SFP - 20-poliger Stecker, der eine Vielzahl von Geschwindigkeiten unterstützt
• SFP+ - Wie SFP, unterstützt jedoch bis zu 16 Gbps
• SFP28 - Ebenfalls 20 Pins, aber in einem alternativen Formfaktor und unterstützt höhere Datenraten
• SFP56 - Wie SFP28, jedoch mit höherer Geschwindigkeitsgrenze
• QSFP - Wie oben (und seine Varianten), verwendet jedoch vier Kanäle für deutlich höhere Datenraten
• XFP - Ein 10 Gbps steckbarer Stecker mit größerem Formfaktor und 30 Pins

SFP-Module, die für einen Typ von Stecker konzipiert sind, sind nicht mit einem anderen Typ von Stecker kompatibel. Beachten Sie jedoch, dass, wenn Ihr Steckerlieferant nicht vorrätig ist, andere Stecker in die PCB eingebaut werden können.

Beispiel für ein SFP-Steckerlayout

In dem Layout-Beispiel, das ich unten zeigen werde, verwende ich einen standardmäßigen 20-poligen SFP-Stecker für eine 25G-Verbindung über Glasfaser (bis zu 100 m Länge). Die gleiche Strategie kann mit den anderen Arten von SFP-Steckern mit höherer Pinanzahl, die oben aufgeführt sind, sowie mit QSFP-Steckern für 4-Kanal-Module verwendet werden.

Diese Module umfassen digitale Schnittstellen mit niedriger und hoher Geschwindigkeit, wie wir am Beispiel des SFP-Steckverbinders für ein 10-Gbps-Transceivermodul sehen können:

Die wichtigen Punkte im Layout sind wie folgt: Auf der rechten Seite haben wir eine I2C-Schnittstelle und einige Steuersignale. All diese sind niedriggeschwindig und sollten im Allgemeinen von den Hochgeschwindigkeits-Differentialpaaren, die auf der linken Seite des Steckverbinders ankommen, weggeführt werden. Kupferflächen wurden bei diesem speziellen Board für das Balancing verwendet, dies ist jedoch keine Voraussetzung für die ordnungsgemäße Funktion des Transceivers.

Als Nächstes treten die Hochgeschwindigkeitssignale von der linken Seite ein und sind von GND- und PWR-Pins umgeben. Die Rx- und Tx-Eingangs-/Ausgangs-Differentialpaare auf L1 sind mit gelben Pfeilen markiert:

Diese Leitungen führen durch differentielle Vias in die inneren Lagen, die Vias fallen auf L6 in einem 8-Lagen-PCB. Da die äußeren zwei Dielektrika dünn sind (gesamte Dicke 11 mil), ist die Stablänge bei diesem Via-Übergang bereits minimiert, und ein Rückbohren ist nicht erforderlich. Die Differentialpaare passieren ein optimiertes Antipad, das die erforderliche differentielle Impedanz von 100 Ohm bis zu einer Bandbreite von ungefähr 10 GHz einstellt.

Bei sehr hohen Datenraten, bei denen mehrere Bahnen in einen einzigen QSFP-Stecker zusammengefasst werden, kann sich der Steckerkörper selbst als der Hauptfaktor herausstellen, der die Datenrate begrenzt. Steckerhersteller haben Anstrengungen unternommen, ihre Komponenten gegen Ziel-Datenraten zu qualifizieren, aber natürlich könnten diese Datenratenziele nicht vollständig erreicht werden, wenn die Leitungen auf der PCB in den Stecker geführt werden. Ein Simulationsprogramm für Übertragungsleitungen wie ADS oder Simbeor wäre erforderlich, um diese Kanäle vollständig zu qualifizieren, wenn sie mit einem QSFP-Stecker verbunden werden.

Leistungsintegrität in SFP-Steckern/Modulen

Es ist wichtig zu bedenken, dass optische Transceiver schnelle Impulse in eine optische Faser senden, sodass sie genau wie jede andere Hochgeschwindigkeits-Digitalkomponente funktionieren. Das bedeutet, dass wir uns um die Leistungsintegrität auf dem Strombus für diese Stecker kümmern müssen. Die typischen Richtlinien für das Design von Hochgeschwindigkeits-Digital-PDN gelten auch für SFP-Stecker.

In dem oben genannten Beispiel wird die eingehende Leistung durch ein Tiefpassfilter geleitet, basierend auf Testdaten unseres Partners bei dem oben genannten Projekt. Seien Sie vorsichtig mit diesem Ansatz, da das Platzieren von Pi-Filtern an einem Stromanschluss für eine Hochgeschwindigkeitskomponente eine sehr starke transiente Anregung zur Folge haben kann, wenn das Filter nicht kritisch gedämpft ist. Es sei denn, Sie können beweisen, dass das Filter funktioniert, erwägen Sie einfach, mehr Kapazität zu verwenden, um Störungen auf der Schiene zu unterdrücken.

SFP-Steckverbinderkäfige

Die oben gezeigten Bilder zeigen lediglich einen SFP-Steckverbinder, der direkt auf die PCB als einfacher Steckverbinder montiert ist. Das optische Transceiver-Modul würde dann entlang seiner Kante mit der Platine verbunden, und der Transceiver würde durch das Gehäuse hindurch sichtbar sein. Das ist in Ordnung, wenn das Gehäuse eine Methode hat, um das Modul im Gehäuse zu fixieren, so dass das Modul stabil ist. Der oben gezeigte Steckverbinder könnte auch von der Kante der Platine weg nach hinten versetzt werden, sodass die Faser-Schnittstelle näher an der Kante der Platine ist, wie es der Fall wäre, wenn das Gehäuse eng an der Kante der Platine anliegt.

In vielen Netzwerkgeräten hängt der SFP-Steckverbinder normalerweise nicht auf diese Weise über den Rand. Stattdessen verbindet sich das optische Transceiver-Modul über einen Käfig mit dem SFP-Steckverbinder. Diese Käfige sind einfache Metallkäfige, die um den SFP-Steckverbinder platziert werden, und sie können etwas über den Rand der Platine hängen. Das Gehäuse wird dann um den SFP-Steckverbinderkäfig herum gebaut, sodass der Transceiver durch die Öffnung im Gehäuse zugänglich ist. SFP-Steckverbinderkäfige sind nicht erforderlich, aber für Systeme, die die Möglichkeit des Hot-Swappings nutzen werden, wird empfohlen, einen Käfig einzuschließen. Der Käfig bietet die mechanische Stabilität, die diese Transceiver benötigen, und er leitet das Transceiver-Modul in den Stecker.

Das Bild unten zeigt ein Beispiel für einen SFP-Steckverbinderkäfig (Molex 74737-0009). Diese Käfige sind Durchsteckmontage (Pressfit) Steckverbinder, die nahe am Rand der Leiterplatte sitzen.

Diese Käfige sind lediglich Metallgehäuse, die auf der Leiterplatte sitzen, sie haben keinen integrierten SFP-Steckverbinder. Stattdessen ist der SFP-Steckverbinder als separate Teilenummer erhältlich. Diese Teile sind zwischen den Anbietern austauschbar. Da der SFP-Käfig und der SFP-Steckverbinder standardisiert sind, sitzt der SFP-Steckverbinder tatsächlich innerhalb des Käfigs entlang der hinteren Kante. Dies lässt dann Platz für den Transceiver, um von der Vorderseite durchzurutschen und sich mit dem SFP-Steckverbinder zu verbinden.

Wie sieht das in einem PCB-Layout aus? Das Beispiel unten zeigt, wie die beiden Komponenten platziert werden. Im PCB-Layout wird zuerst der Käfig platziert; ein gutes Footprint wird eine Linie haben, die die Platinenkante im 3D-Körper-Layer oder im Montage-Layer markiert. Im Beispiel unten habe ich den Käfig entlang der Platinenkante ausgerichtet. Der SFP-Steckverbinder wird dann innerhalb des Käfigs entlang der hinteren Kante platziert.

Der Stecker muss sehr präzise innerhalb des Käfigs platziert werden, sonst passt der Transceiver nicht in den Stecker, und der Käfig müsste entfernt werden. Um den Stecker in den Käfig zu bekommen, wird zuerst der Stecker platziert, und der Käfig wird über den Stecker montiert. Der Käfig hat eine Öffnung auf der Rückseite, die es dem auf der Platine montierten Stecker erlaubt, innerhalb des Käfigs zu sitzen. Um sicherzustellen, dass der Stecker korrekt im Verhältnis zu den Durchgangslöchern für den Stecker platziert ist, lesen Sie die mechanische Zeichnung für den Stecker; diese Zeichnung zeigt, wie die Pads und Montagelöcher für den SFP-Stecker auszurichten sind.

Das Bild unten zeigt das oben genannte SFP-Stecker + Käfig-Paar in 3D; die Ansicht blickt von der Kante der Platine in den Stecker. Wie Sie sehen können, hängt der Käfig über den Rand der Platine. Dies sollte den Vorteil von STEP-Modellen in Ihrer PCB-Designsoftware veranschaulichen; Sie können die Orientierung, den Abstand und mögliche Interferenzen zwischen diesen Elementen im PCB-Layout überprüfen.

Thermische Probleme mit SFP-Steckern

Die Platzierung und das Layout sind natürlich wichtig zu verstehen, aber ein anderer wichtiger Aspekt ist die Verwendung von Glasfaser-Transceivern mit SFP-Steckverbindern. Aufgrund der in diesen Steckverbindern verbrauchten Leistung ist eines der Hauptprobleme bei höheren Datenraten der Stromverbrauch eines Glasfaser-Transceivermoduls. Mit über einem Dutzend Watt, die während des Betriebs mit schnelleren Protokollen, die für sehr lange Distanzübertragungen über Glasfaser vorgesehen sind, verbraucht werden, muss man sich mit viel Wärme auseinandersetzen.

Unglücklicherweise, da der Transceiver praktisch über der PCB durch den SFP-Steckverbinder schwebt, wird es keinen direkten Kontakt zur PCB geben, um diese Wärme abzuleiten. Sie können jedoch einige Schritte unternehmen, um die Wärmeabfuhr zu unterstützen:

• Verwenden Sie ein Transceiver-Modul mit integriertem Kühlkörper
• Gestalten Sie das Gehäuse so, dass es größeren Kontakt mit dem Körper des Moduls macht
• Erwägen Sie, einen Lüfter hinter dem Modul hinzuzufügen

Dies führt zu einem weiteren Vorteil eines SFP-Steckverbinderkäfigs: Sie können eine Kühlkörperfunktion bieten. Da diese Komponenten nur Blechsteckverbinder sind und sie zurück auf die Ebene in einer internen Schicht verbunden sind, bieten sie einen Mechanismus, um viel Wärme von einem heißen Transceiver abzuleiten. Diese Wärme würde in die interne Ebene und das Gehäuse geleitet und könnte die Notwendigkeit für aggressivere Kühlmaßnahmen wie Lüfter eliminieren.

Wann immer Sie Hochgeschwindigkeitssignale in einen SFP-Stecker auf Ihrer PCB platzieren und verlegen müssen, verwenden Sie die 2D- und 3D-CAD-Tools in Altium Designer. Wenn Sie mit Ihrem Design fertig sind und die Dateien an Ihren Hersteller weitergeben möchten, erleichtert die Plattform Altium 365 die Zusammenarbeit und das Teilen Ihrer Projekte.

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