Comment utiliser les connecteurs SFP dans votre agencement de PCB

Les connecteurs SFP sont utilisés pour acheminer des données vers des modules émetteurs-récepteurs à fibre optique, qui se trouvent normalement dans des équipements de réseautage à haute vitesse. Cependant, aujourd'hui, j'ai reçu plusieurs demandes de conception impliquant l'utilisation de transceivers à fibre en dehors d'un environnement de centre de données. Les nouveaux systèmes dans la fusion de capteurs, les systèmes MIMO, les commutateurs OpenVPX robustes et certains robots industriels doivent transmettre d'énormes quantités de données vers un poste de travail ou un serveur, avec des flux de données dépassant facilement 10 Gbps par voie.

Transmettre autant de données depuis un petit dispositif embarqué exige soit un transceiver à fibre, soit un interconnect mini coaxial groupé. Ce dernier reste toutefois un connecteur encombrant sur cuivre, donc je ne suis pas surpris que les ingénieurs demandent un format SFP pour les systèmes de grade production. Comme je m'attends à voir de plus en plus cela à l'avenir, j'ai décidé de préparer ce bref guide sur l'utilisation correcte des connecteurs SFP et des modules émetteurs-récepteurs qui ciblent ces débits de données très élevés.

Commencer avec un connecteur SFP

Le connecteur à petit facteur de forme enfichable (SFP) est conçu pour se connecter directement à des modules qui interfacent avec le cuivre ou la fibre. Ils sont généralement utilisés avec des liaisons en fibre dans le centre de données, bien que ces liaisons se trouvent maintenant également ailleurs, comme je l'ai mentionné ci-dessus. Le connecteur est conçu pour fournir une interface remplaçable à chaud pour des modules émetteurs-récepteurs comme le module Cisco 10G illustré ci-dessous.

Types de connecteurs SFP

Le module comprend un ensemble de contacts le long du bord qui se branchent dans le connecteur SFP, et le connecteur SFP se montera sur le PCB comme un composant SMD standard. Il existe plusieurs types de connecteurs SFP qui se connectent à des émetteurs-récepteurs avec différents débits de données :

• SFP - Connecteur à 20 broches prenant en charge une variété de vitesses
• SFP+ - Identique au SFP mais prenant en charge jusqu'à 16 Gbps
• SFP28 - Également 20 broches, mais dans un facteur de forme alternatif et prenant en charge des débits de données plus élevés
• SFP56 - Identique au SFP28 mais avec une limite de vitesse supérieure
• QSFP - Identique aux précédents (et ses variantes), mais utilise quatre canaux pour des débits de données beaucoup plus rapides
• XFP - Un connecteur enfichable de 10 Gbps avec un facteur de forme plus grand et 30 broches

Les modules SFP conçus pour un type de connecteur ne sont pas compatibles avec un autre type de connecteur. Notez, cependant, que si votre fournisseur de connecteurs est en rupture de stock, d'autres connecteurs peuvent être substitués dans le PCB.

Exemple de disposition de connecteur SFP

Dans l'exemple de disposition que je vais montrer ci-dessous, j'utilise un connecteur SFP standard à 20 broches pour un lien de 25G sur fibre (jusqu'à 100 m de longueur). La même stratégie peut être utilisée avec les autres types de connecteurs SFP ayant un nombre de broches plus élevé mentionnés ci-dessus, ainsi qu'avec les connecteurs QSFP pour les modules à 4 canaux.

Ces modules incluent des interfaces numériques à basse et haute vitesse, comme nous pouvons le voir sur l'exemple de disposition de connecteur SFP pour un module émetteur-récepteur à 10 Gbps :

Les points importants dans la disposition sont les suivants : à droite, nous avons une interface I2C et quelques signaux de contrôle. Tous ceux-ci sont à basse vitesse et devraient généralement être routés loin des paires différentielles à haute vitesse venant du côté gauche du connecteur. Un plan de masse en cuivre a été utilisé pour l'équilibrage sur cette carte particulière, mais ce n'est pas une exigence pour le bon fonctionnement du transceiver.

Ensuite, les signaux à haute vitesse entrent par le côté gauche, et ils sont entourés par les broches GND et PWR. Les paires différentielles d'entrée/sortie Rx et Tx sur L1 sont marquées avec des flèches jaunes :

Ces lignes passent dans les couches internes en utilisant des vias différentielles, les vias descendent jusqu'à L6 dans un PCB de 8 couches. Comme les deux diélectriques extérieurs sont fins (épaisseur totale de 11 mil), la longueur du stub est déjà minimisée sur cette transition de via et le backdrilling n'est pas nécessaire. Les paires différentielles passent à travers un antipad optimisé qui établit l'impédance différentielle requise à 100 Ohms jusqu'à une bande passante d'environ 10 GHz.

À des débits de données très élevés, où plusieurs voies sont agrégées en un seul connecteur QSFP, le corps du connecteur lui-même peut devenir apparent comme le principal facteur limitant le débit de données. Les fabricants de connecteurs ont fait des efforts pour qualifier leurs composants par rapport aux débits cibles, mais bien sûr, ces cibles de débit peuvent ne pas être entièrement atteintes lorsque les lignes sur le PCB sont routées dans le connecteur. Un programme de simulation de ligne de transmission comme ADS ou Simbeor serait nécessaire pour qualifier pleinement ces canaux lors de l'interface avec un connecteur QSFP.

Intégrité de puissance dans les connecteurs/modules SFP

Il est important de se rappeler que les transceivers optiques envoient des impulsions rapides dans une fibre optique, donc ils fonctionnent tout comme n'importe quel autre composant numérique haute vitesse. Cela signifie que nous devons nous préoccuper de l'intégrité de puissance sur le bus d'alimentation pour ces connecteurs. Les directives typiques pour la conception de PDN numérique haute vitesse s'appliquent également aux connecteurs SFP.

Dans l'exemple ci-dessus, l'alimentation entrante est passée à travers un filtre passe-bas basé sur les données de test de notre partenaire sur le projet mentionné. Faites attention avec cette approche car placer des filtres pi sur une broche d'alimentation pour un composant à haute vitesse peut entraîner l'excitation d'un transitoire très fort si le filtre n'est pas critique amorti. Donc, à moins que vous ne puissiez prouver que le filtre fonctionne, envisagez simplement d'utiliser plus de capacité pour supprimer le bruit sur l'alimentation.

Cages de connecteurs SFP

Les images ci-dessus montrent simplement un connecteur SFP monté directement sur le PCB comme un simple connecteur. Le module émetteur-récepteur optique se connecterait ensuite à la carte le long de son bord, et l'émetteur-récepteur serait visible à travers le boîtier. Cela convient si le boîtier a une méthode pour fixer le module dans le boîtier de sorte que le module soit stable. Le connecteur montré ci-dessus pourrait également être déplacé vers l'arrière, loin du bord de la carte, de sorte que l'interface de fibre soit plus proche du bord de la carte, comme ce serait le cas lorsque le boîtier est bien ajusté au bord de la carte.

Dans de nombreux équipements de réseau, le connecteur SFP ne se trouvera généralement pas en saillie sur le bord de cette manière. Au lieu de cela, le module de transceiver optique se connectera au connecteur SFP à travers une cage. Ces cages sont de simples cages métalliques qui sont placées autour du connecteur SFP, et elles peuvent légèrement dépasser du bord de la carte. L'enceinte est ensuite construite autour de la cage du connecteur SFP de sorte que le transceiver puisse être accessible par l'ouverture dans l'enceinte. Les cages de connecteur SFP ne sont pas obligatoires, mais pour les systèmes qui tireront avantage de la capacité échangeable à chaud, il est recommandé d'inclure une cage. La cage fournit la stabilité mécanique dont ces transceivers ont besoin et elle guide le module transceiver dans la prise.

L'image ci-dessous montre un exemple de cage de connecteur SFP (Molex 74737-0009). Ces cages sont des connecteurs montés en traversant le trou (press fit) qui se situent près du bord du PCB.

Ces cages sont juste des boîtiers métalliques qui se placent sur le PCB, elles n'intègrent pas de connecteur SFP. Au lieu de cela, le connecteur SFP est disponible en tant que numéro de pièce séparé. Ces pièces sont interchangeables entre les fournisseurs. Comme la cage SFP et le connecteur SFP sont standardisés, le connecteur SFP se place réellement à l'intérieur de la cage le long du bord arrière. Cela laisse alors de l'espace pour que l'émetteur-récepteur glisse par le côté avant et se connecte au connecteur SFP.

À quoi cela ressemble-t-il dans un agencement de PCB ? L'exemple ci-dessous montre comment les deux composants sont placés. Dans l'agencement du PCB, la cage est placée en premier ; un bon empreinte aura une ligne marquant le bord de la carte dans la couche de corps 3D ou dans la couche d'Assemblage. Dans l'exemple ci-dessous, j'ai aligné la cage le long du bord de la carte. Le connecteur SFP est ensuite placé à l'intérieur de la cage le long du bord arrière.

Le connecteur doit être placé très précisément à l'intérieur de la cage, sinon le transceiver ne s'adaptera pas dans la prise et il faudrait retirer la cage. Pour insérer le connecteur dans la cage, le connecteur est placé en premier, et la cage sera montée par-dessus le connecteur. La cage a une ouverture à l'arrière qui permet au connecteur monté sur la carte de se situer à l'intérieur de la cage. Pour s'assurer que le connecteur est correctement positionné par rapport aux trous traversants pour le connecteur, lisez le dessin mécanique du connecteur ; ce dessin montrera comment aligner les pads et les trous de montage pour le connecteur SFP.

L'image ci-dessous montre la paire connecteur SFP + cage en 3D ; la vue est dirigée vers l'intérieur du connecteur depuis le bord de la carte. Comme vous pouvez le voir, la cage dépasse du bord de la carte. Cela devrait illustrer l'avantage des modèles STEP dans votre logiciel de conception de PCB ; vous pouvez vérifier l'orientation, l'espacement et les interférences potentielles entre ces éléments dans l'agencement du PCB.

Problèmes thermiques avec les connecteurs SFP

Le placement et la disposition sont bien sûr importants à comprendre, mais l'autre aspect important concerne l'utilisation de transceivers à fibre optique avec des connecteurs SFP. En raison de la puissance consommée par ces connecteurs, l'un des principaux problèmes à des débits de données plus élevés est la puissance consommée par un module transceiver à fibre optique. Avec plus d'une douzaine de W consommés pendant le fonctionnement avec des protocoles plus rapides destinés à des transmissions sur de très longues distances via la fibre, il y aura beaucoup de chaleur à gérer.

Malheureusement, comme le transceiver est essentiellement suspendu au-dessus du PCB par le connecteur SFP, il n'y aura pas de contact direct avec le PCB pour dissiper cette chaleur. Vous pouvez prendre quelques mesures pour aider à dissiper la chaleur :

• Utiliser un module transceiver avec un dissipateur thermique intégré
• Mouler l'enceinte pour augmenter le contact avec le corps du module
• Envisager d'ajouter un ventilateur derrière le module

Cela soulève un autre avantage de la cage du connecteur SFP : ils peuvent fournir une fonction de dissipation thermique. Comme ces composants sont juste des connecteurs en tôle, et qu'ils sont reliés au plan sur une couche interne, ils fournissent un mécanisme pour dissiper beaucoup de chaleur loin d'un transceiver chaud. Cette chaleur serait déversée dans le plan interne et l'enceinte, et cela pourrait éliminer le besoin de mesures de refroidissement plus agressives comme des ventilateurs.

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