Cómo utilizar conectores SFP en el diseño de su PCB

Los conectores SFP se utilizan para enrutar datos hacia módulos transceptores de fibra óptica, que normalmente se encuentran en equipos de red de alta velocidad. Sin embargo, hoy he tenido múltiples solicitudes de diseño que involucran el uso de transceptores de fibra fuera de un entorno de centro de datos. Los sistemas más nuevos en fusión de sensores, sistemas MIMO, conmutadores OpenVPX resistentes y algunas robóticas industriales necesitan transmitir enormes cantidades de datos de vuelta a una estación de trabajo o servidor, con flujos de datos que fácilmente superan los 10 Gbps por carril.

Transmitir esta cantidad de datos desde un pequeño dispositivo embebido exige o bien un transceptor de fibra o un interconector mini coaxial agrupado. Este último sigue siendo un conector voluminoso sobre cobre, por lo que no me sorprende que los ingenieros estén solicitando un factor de forma SFP para sistemas de grado de producción. Como espero ver más de esto en el futuro, decidí preparar esta breve guía sobre el uso correcto de conectores SFP y módulos transceptores que apuntan a estas tasas de datos muy altas.

Comenzando con un Conector SFP

El conector de factor de forma pequeño enchufable (SFP) está diseñado para conectarse directamente a módulos que se interfazan con cobre o fibra. Generalmente, estos se utilizan con enlaces de fibra en el centro de datos, aunque ahora estos enlaces también se encuentran en otros lugares, como mencioné anteriormente. El conector está diseñado para proporcionar una interfaz intercambiable en caliente para módulos transceptores como el módulo Cisco 10G mostrado a continuación.

Tipos de Conectores SFP

El módulo incluye un conjunto de contactos a lo largo del borde que se enchufan en el conector SFP, y el conector SFP se montará en el PCB como un componente SMD estándar. Hay múltiples tipos de conectores SFP que se conectan a transceptores con diferentes tasas de datos:

• SFP - Conector de 20 pines que soporta una variedad de velocidades
• SFP+ - Igual que el SFP pero soportando hasta 16 Gbps
• SFP28 - También de 20 pines, pero en un factor de forma alternativo y soportando tasas de datos más altas
• SFP56 - Igual que el SFP28 pero con un límite de velocidad más alto
• QSFP - Igual que los anteriores (y sus variantes), pero utiliza cuatro canales para tasas de datos mucho más rápidas
• XFP - Un conector enchufable de 10 Gbps con un factor de forma más grande y 30 pines

Los módulos SFP diseñados para un tipo de conector no son compatibles con otro tipo de conector. Sin embargo, cabe destacar que si su proveedor de conectores no tiene stock, otros conectores pueden ser sustituidos en el PCB.

Ejemplo de Diseño de Conector SFP

En el ejemplo de diseño que mostraré a continuación, estoy utilizando un conector SFP estándar de 20 pines para un enlace de 25G sobre fibra (hasta 100 m de longitud). La misma estrategia puede ser utilizada con los otros tipos de conectores SFP con mayor cantidad de pines mencionados anteriormente, así como con conectores QSFP para módulos de 4 canales.

Estos módulos incluyen interfaces digitales de baja y alta velocidad, como podemos ver en el ejemplo de disposición de conector SFP para un módulo transceptor de 10 Gbps:

Los puntos importantes en la disposición son los siguientes: a la derecha, tenemos una interfaz I2C y algunas señales de control. Todas estas son de baja velocidad y generalmente deben ser enrutadas lejos de los pares diferenciales de alta velocidad que llegan al lado izquierdo del conector. Se utilizó cobre vertido para el equilibrio en esta placa en particular, pero esto no es un requisito para que el transceptor funcione correctamente.

A continuación, las señales de alta velocidad entran por el lado izquierdo, y están rodeadas por pines de GND y PWR. Los pares diferenciales de entrada/salida Rx y Tx en L1 están marcados con flechas amarillas:

Estas líneas pasan a las capas internas usando vías diferenciales, las vías bajan a L6 en un PCB de 8 capas. Debido a que los dos dieléctricos exteriores son delgados (11 mil de grosor total), la longitud del muñón ya está minimizada en esta transición de vía y no se necesita retro perforación. Los pares diferenciales pasan a través de un antipad optimizado que establece la impedancia diferencial requerida a 100 Ohms hasta un ancho de banda de aproximadamente 10 GHz.

A velocidades de datos muy altas, donde se agregan múltiples carriles en un único conector QSFP, el cuerpo del conector en sí puede volverse aparente como el principal factor limitante de la tasa de datos. Los fabricantes de conectores han hecho esfuerzos para calificar sus componentes contra las tasas de datos objetivo, pero, por supuesto, esos objetivos de tasa de datos podrían no alcanzarse completamente cuando las líneas en el PCB se enrutan hacia el conector. Sería necesario un programa de simulación de línea de transmisión como ADS o Simbeor para calificar completamente estos canales al interfazarse con un conector QSFP.

Integridad de Potencia en Conectores/Módulos SFP

Es importante recordar que los transceptores ópticos están enviando pulsos rápidos a una fibra óptica, por lo que funcionan justo como cualquier otro componente digital de alta velocidad. Esto significa que tenemos que preocuparnos por la integridad de potencia en el bus de alimentación para estos conectores. Las pautas típicas para el diseño de PDN digital de alta velocidad se aplican también a los conectores SFP.

En el ejemplo anterior, la energía entrante se pasa a través de un filtro de paso bajo basado en datos de prueba de nuestro socio en el proyecto mencionado. Hay que tener cuidado con este enfoque ya que colocar filtros pi en un pin de alimentación para un componente de alta velocidad puede resultar en la excitación de un transitorio muy fuerte si el filtro no está críticamente amortiguado. Por lo tanto, a menos que puedas probar que el filtro funciona, considera simplemente usar más capacitancia para suprimir el ruido en la línea.

Carcazas de Conector SFP

Las imágenes de arriba solo muestran un conector SFP montado directamente en el PCB como un conector simple. El módulo transceptor óptico luego se conectaría a la placa a lo largo de su borde, y el transceptor se mostraría a través de la carcasa. Esto está bien si la carcasa tiene algún método para fijar el módulo en la carcasa de modo que el módulo sea estable. El conector mostrado arriba también podría moverse hacia atrás, alejándose del borde de la placa para que la interfaz de fibra esté más cerca del borde de la placa, como sería el caso cuando la carcasa tiene un ajuste apretado al borde de la placa.

En muchos equipos de red, el conector SFP no suele colgar del borde de esta manera. En su lugar, el módulo transceptor óptico se conecta al conector SFP a través de una jaula. Estas jaulas son simples jaulas metálicas que se colocan alrededor del conector SFP, y pueden colgar ligeramente sobre el borde de la placa. Luego, la carcasa se construye alrededor de la jaula del conector SFP para que el transceptor pueda ser accedido a través de la apertura en la carcasa. Las jaulas de conector SFP no son obligatorias, pero para sistemas que aprovecharán la capacidad de intercambio en caliente, se recomienda incluir una jaula. La jaula proporciona la estabilidad mecánica que estos transceptores necesitan y guía el módulo transceptor hacia el enchufe.

La imagen a continuación muestra un ejemplo de una jaula de conector SFP (Molex 74737-0009). Estas jaulas son conectores montados a través del orificio (ajuste a presión) que se sitúan cerca del borde de la PCB.

Estas jaulas son solo recintos metálicos que se colocan sobre el PCB, no tienen un conector SFP integrado. En su lugar, el conector SFP está disponible como un número de parte separado. Estas partes son intercambiables entre diferentes proveedores. Debido a que la jaula SFP y el conector SFP están estandarizados, el conector SFP se sitúa dentro de la jaula a lo largo del borde posterior. Esto deja espacio para que el transceptor se deslice por el lado frontal y se conecte al conector SFP.

¿Cómo se ve esto en un diseño de PCB? El ejemplo a continuación muestra cómo se colocan los dos componentes. En el diseño del PCB, primero se coloca la jaula; una buena huella tendrá una línea marcando el borde de la placa en la capa de cuerpo 3D o en la capa de Montaje. En el ejemplo a continuación, he alineado la jaula a lo largo del borde de la placa. Luego, el conector SFP se coloca dentro de la jaula a lo largo del borde posterior.

El conector debe colocarse con mucha precisión dentro de la jaula, de lo contrario, el transceptor no encajará en el enchufe y sería necesario retirar la jaula. Para introducir el conector en la jaula, primero se coloca el conector, y la jaula se montará encima del conector. La jaula tiene una apertura en la parte trasera que permite que el conector montado en la placa se sitúe dentro de la jaula. Para asegurar que el conector esté colocado correctamente en relación con los agujeros pasantes para el conector, lea el dibujo mecánico del conector; este dibujo mostrará cómo alinear las almohadillas y los agujeros de montaje para el conector SFP.

La imagen a continuación muestra el par de conector SFP + jaula mencionado anteriormente en 3D; la vista es mirando hacia el conector desde el borde de la placa. Como puedes ver, la jaula está colgando sobre el borde de la placa. Esto debería ilustrar la ventaja de los modelos STEP en tu software de diseño de PCB; puedes verificar la orientación, el espaciado y la posible interferencia entre estos elementos en el diseño del PCB.

Problemas Térmicos con Conectores SFP

La colocación y el diseño son, por supuesto, importantes de entender, pero otro aspecto importante es el uso de transceptores de fibra óptica con conectores SFP. Debido a la energía consumida en estos conectores, uno de los principales problemas a tasas de datos más altas es la energía consumida por un módulo transceptor de fibra óptica. Con más de una docena de W siendo consumidos durante la operación con protocolos más rápidos destinados a transmisiones de muy larga distancia a través de fibra, habrá mucho calor que manejar.

Lamentablemente, debido a que el transceptor está básicamente suspendido sobre el PCB por el conector SFP, no habrá ningún contacto directo con el PCB para disipar ese calor. Puedes tomar algunos pasos para ayudar a disipar el calor:

• Usa un módulo transceptor con un disipador de calor integrado
• Moldea la carcasa para hacer mayor contacto con el cuerpo del módulo
• Considera agregar un ventilador detrás del módulo

Esto nos lleva a otra ventaja de una jaula conectora SFP: pueden proporcionar una función de disipación de calor. Dado que estos componentes son solo conectores de chapa metálica, y están conectados de vuelta al plano en una capa interna, proporcionan un mecanismo para disipar mucho calor lejos de un transceptor caliente. Este calor se descargaría en el plano interno y la carcasa, y podría eliminar la necesidad de medidas de enfriamiento más agresivas como ventiladores.

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