Cómo utilizar conectores SFP en el diseño de una 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.

Primeros pasos con un Conector SFP

El conector SFP (Small Form-factor Pluggable) está diseñado para conectarse directamente a módulos que utilizan interfaces de cobre o fibra óptica. Generalmente, estos conectores se emplean con enlaces de fibra en centros de datos, aunque, como mencioné anteriormente, este tipo de conexiones también se está extendiendo a otros entornos.

El conector está diseñado para proporcionar una interfaz intercambiable en caliente para módulos transceptores, como el módulo Cisco 10G que se muestra a continuación.
 

Tipos de Conectores SFP

El módulo incluye un conjunto de contactos en el borde que se conectan al conector SFP, mientras que el propio conector SFP se monta en la PCB como un componente SMD estándar. Existen varios tipos de conectores SFP compatibles con transceptores que ofrecen distintas velocidades de transmisión 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
• QSFP-DD: las siglas "DD" hacen referencia a Double Density ("doble densidad"), debido al uso de 8 canales Rx/Tx en lugar de 4 canales Rx/Tx.

Todos los módulos SFP están diseñados para un único tipo de conector y no son compatibles con otros tipos. Los módulos SFP ya no son el estándar del sector para las velocidades de transmisión de datos más altas utilizadas en Ethernet.

Actualmente, los conectores QSFP son el formato predominante para velocidades más elevadas, por ejemplo en Ethernet de 100G, ya que agrupan varios canales en un único módulo transceptor. Los estándares Ethernet más recientes que se están implantando, con velocidades de datos de 224G-PAM4 a partir de 2025, utilizan conectores QSFP-DD con 8 canales agrupados en un solo transceptor.

Ejemplo de esquema de un conector SFP

La inserción que aparece a continuación muestra una hoja de esquemático para un conector SFP y los circuitos asociados. El esquema incluye la circuitería mínima necesaria para hacer funcionar un transceptor SFP.

Los pines de configuración se controlan principalmente mediante resistencias pull-up/pull-down o una señal externa, aunque normalmente estos valores se establecen de forma fija y basta con utilizar las resistencias. La parte del circuito correspondiente al MOSFET solo es necesaria, técnicamente, para activar y desactivar el transceptor mediante un GPIO.

Un aspecto importante del esquema anterior es el uso de resistencias de cero ohmios en las líneas diferenciales Rx y Tx. Estas resistencias pueden sustituirse por condensadores de acoplamiento de CA para ajustar la integridad de la señal en los canales en función del valor de capacitancia empleado.

No obstante, hemos probado este esquema en varios proyectos, tanto con condensadores de acoplamiento de CA como sin ellos, y se ha demostrado que los enlaces funcionan a velocidades de hasta 10 Gbps.

La lista de pines y sus funciones se muestran a continuación. Algunos son pines de salida que puede leer el sistema host, mientras que otros son entradas, como los pines I2C, que se utilizan para configurar el módulo SFP.

Los módulos transceptores SFP se comunican con el sistema host a través de la interfaz I2C. El sistema host puede acceder a los registros internos en las direcciones A0h y A2h para leer información del dispositivo, supervisar su estado o configurar determinados ajustes. Por ejemplo, un sistema puede configurarse para leer el nombre del fabricante y el número de pieza y, en función de esa información, aceptar o rechazar determinados módulos.

En las directrices de la siguiente sección, ten en cuenta que el pin VccR está referenciado a un pin de tierra del receptor. Esto significa que el pin VccR debe desacoplarse respecto al pin VeeR. Según la disposición de pines, la opción más lógica es desacoplar el pin 15 (VccR) con el pin 14 (VeeR). Lo mismo se aplica a los pines de alimentación y tierra del transmisor, VccT y VeeT respectivamente, por lo que la opción más lógica es desacoplar el pin 16 (VccT) con el pin 17 (VeeT).

Ejemplo de Diseño de Conector SFP

En el ejemplo de diseño que mostraré a continuación, utilizo un conector SFP estándar de 20 pines para un enlace de 25G por fibra óptica, con una longitud de hasta 100 m. La misma estrategia puede aplicarse a los otros tipos de conectores SFP con mayor número de pines mencionados anteriormente, así como a conectores QSFP para módulos de 4 canales.

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

Los puntos importantes del diseño son los siguientes: a la derecha tenemos una interfaz I2C y algunas señales de control. Todas ellas son de baja velocidad y, por lo general, deben enrutararse alejadas de los pares diferenciales de alta velocidad que llegan al lado izquierdo del conector. En esta placa concreta se utilizó un vertido de cobre para equilibrar el diseño, pero 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 la capa 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 alimentación de entrada pasa a través de un filtro paso bajo basado en los datos de prueba proporcionados por nuestro socio en el proyecto mencionado. Conviene tener cuidado con este enfoque, ya que colocar filtros pi en un pin de alimentación de un componente de alta velocidad puede provocar dos resultados posibles:

• La excitación de un transitorio muy intenso si el filtro no está amortiguado de forma crítica.
• Un filtrado excesivo a altas frecuencias, lo que puede hacer que los canales Rx transmitan datos que el sistema host no pueda leer.

Si no puedes demostrar que el filtro funciona correctamente, o si este impide que los canales Rx/Tx del transceptor funcionen como deberían, considera utilizar simplemente una mayor capacitancia para reducir el ruido en la línea de alimentación.

Jaulas para Conectores 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 siguiente muestra cómo se colocan ambos componentes.

En el diseño de la PCB, primero se coloca la jaula. Una buena huella incluirá una línea que marque el borde de la placa en la capa del cuerpo 3D o en la capa de ensamblaje. En el ejemplo siguiente, he alineado la jaula con el borde de la placa. A continuación, el conector SFP se coloca dentro de la jaula, junto al 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.

Siempre que necesites colocar y enrutar señales de alta velocidad hacia un conector SFP en tu PCB, utiliza las herramientas CAD 2D y 3D de Altium. Cuando hayas terminado el diseño y quieras enviar los archivos al fabricante, Altium facilita la colaboración y el intercambio de proyectos.