Come Utilizzare i Connettori SFP nel Tuo Layout di PCB

I connettori SFP sono utilizzati per instradare dati nei moduli trasmettitori ricevitori in fibra ottica, che si trovano normalmente in apparecchiature di rete ad alta velocità. Oggi, tuttavia, ho ricevuto diverse richieste di progettazione che coinvolgono l'uso di trasmettitori in fibra al di fuori di un ambiente di data center. I sistemi più recenti in fusione di sensori, sistemi MIMO, switch OpenVPX robusti e alcune robotiche industriali necessitano di trasmettere enormi quantità di dati verso una postazione di lavoro o un server, con flussi di dati che superano facilmente i 10 Gbps per canale.

Trasmettere così tanti dati da un piccolo dispositivo embedded richiede o un trasmettitore in fibra o un interconnettore mini coax raggruppato. Quest'ultimo è ancora un connettore ingombrante su rame, quindi non mi sorprende che gli ingegneri stiano richiedendo un formato SFP per sistemi di grado produttivo. Poiché mi aspetto di vedere sempre più questa tendenza in futuro, ho deciso di preparare questa breve guida sull'uso corretto dei connettori SFP e dei moduli trasmettitori ricevitori che mirano a queste velocità di dati molto elevate.

Iniziare con un Connettore SFP

Il connettore small form factor pluggable (SFP) è progettato per collegarsi direttamente a moduli che interfacciano con rame o fibra. Questi sono generalmente utilizzati con collegamenti in fibra nel data center, sebbene ora questi collegamenti si trovino anche altrove, come ho menzionato sopra. Il connettore è progettato per fornire un'interfaccia sostituibile a caldo per moduli trasmettitori come il modulo Cisco 10G mostrato di seguito.

Tipi di Connettori SFP

Il modulo include un insieme di contatti lungo il bordo che si collegano al connettore SFP, e il connettore SFP verrà montato sul PCB come un componente SMD standard. Ci sono diversi tipi di connettori SFP che si collegano a trasmettitori con differenti velocità di trasmissione dati:

• SFP - Connettore a 20 pin che supporta varie velocità
• SFP+ - Come lo SFP ma supporta fino a 16 Gbps
• SFP28 - Anche 20 pin, ma in un fattore di forma alternativo e supporta tassi di dati più elevati
• SFP56 - Come lo SFP28 ma con un limite di velocità superiore
• QSFP - Come sopra (e le sue varianti), ma utilizza quattro canali per tassi di dati molto più veloci
• XFP - Un connettore pluggabile da 10 Gbps con fattore di forma più grande e 30 pin

I moduli SFP progettati per un tipo di connettore non sono compatibili con un altro tipo di connettore. Nota, tuttavia, che se il tuo fornitore di connettori è esaurito, altri connettori possono essere sostituiti nella PCB.

Esempio di Layout del Connettore SFP

Nell'esempio di layout che mostrerò di seguito, sto utilizzando un connettore SFP standard a 20 pin per un collegamento a 25G su fibra (fino a 100 m di lunghezza). La stessa strategia può essere utilizzata con gli altri tipi di connettori SFP con conteggi di pin più elevati elencati sopra, così come i connettori QSFP per moduli a 4 canali.

Questi moduli includono interfacce digitali a bassa e alta velocità, come possiamo vedere nell'esempio del layout del connettore SFP per un modulo trasmettitore da 10 Gbps:

I punti importanti nel layout sono i seguenti: sulla destra, abbiamo un'interfaccia I2C e alcuni segnali di controllo. Tutti questi sono a bassa velocità e dovrebbero generalmente essere instradati lontano dalle coppie differenziali ad alta velocità che arrivano sul lato sinistro del connettore. Il riporto di rame è stato utilizzato per l'equilibrio in questa particolare scheda, ma questo non è un requisito affinché il trasmettitore funzioni correttamente.

Successivamente, i segnali ad alta velocità entrano dal lato sinistro, e sono circondati da pin GND e PWR. Le coppie differenziali di ingresso/uscita Rx e Tx su L1 sono contrassegnate con frecce gialle:

Queste linee passano agli strati interni utilizzando vie differenziali, le vie scendono fino a L6 in un PCB a 8 strati. Poiché i due dielettrici esterni sono sottili (spessore totale di 11 mil), la lunghezza dello stub è già minimizzata in questa transizione via e il backdrilling non è necessario. Le coppie differenziali passano attraverso un antipad ottimizzato che imposta l'impedenza differenziale richiesta a 100 Ohm fino a una larghezza di banda di circa 10 GHz.

A velocità di trasmissione dati molto elevate, dove più canali sono aggregati in un singolo connettore QSFP, il corpo del connettore stesso può diventare evidente come il principale fattore limitante la velocità di trasmissione dati. I produttori di connettori hanno fatto sforzi per qualificare i loro componenti rispetto alle velocità di trasmissione dati target, ma ovviamente questi obiettivi di velocità di trasmissione potrebbero non essere pienamente raggiunti quando le linee sul PCB sono instradate nel connettore. Un programma di simulazione di linee di trasmissione come ADS o Simbeor sarebbe necessario per qualificare completamente questi canali quando si interfacciano con un connettore QSFP.

Integrità della Potenza nei Connettori/Moduli SFP

È importante ricordare che i trasmettitori ottici inviano impulsi veloci in una fibra ottica, quindi funzionano proprio come qualsiasi altro componente digitale ad alta velocità. Questo significa che dobbiamo preoccuparci dell'integrità della potenza sul bus di alimentazione per questi connettori. Le linee guida tipiche per il design della rete di distribuzione dell'alimentazione (PDN) digitale ad alta velocità si applicano anche ai connettori SFP.

Nell'esempio sopra, l'energia in entrata viene passata attraverso un filtro passa-basso basato sui dati di test forniti dal nostro partner sul progetto in questione. Fate attenzione a questo approccio poiché l'installazione di filtri pi su un pin di alimentazione per un componente ad alta velocità può risultare nell'eccitazione di un transitorio molto forte se il filtro non è criticamente smorzato. Quindi, a meno che non possiate dimostrare che il filtro funziona, considerate l'idea di usare semplicemente più capacità per sopprimere il rumore della linea.

Gabbie per Connettori SFP

Le immagini sopra mostrano semplicemente un connettore SFP montato direttamente sul PCB come un semplice connettore. Il modulo trasmettitore ottico si connetterebbe quindi alla scheda lungo il suo bordo, e il trasmettitore sarebbe visibile attraverso l'involucro. Questo va bene se l'involucro ha qualche metodo per fissare il modulo all'interno dell'involucro in modo che il modulo sia stabile. Il connettore mostrato sopra potrebbe anche essere spostato indietro rispetto al bordo della scheda in modo che l'interfaccia a fibra sia più vicina al bordo della scheda, come sarebbe il caso in cui l'involucro ha un adattamento stretto al bordo della scheda.

In molti pezzi di apparecchiature di rete, il connettore SFP non si estenderà solitamente oltre il bordo in questo modo. Invece, il modulo trasmettitore ottico si collegherà al connettore SFP attraverso una gabbia. Queste gabbie sono semplici gabbie metalliche che vengono posizionate intorno al connettore SFP, e possono sporgere leggermente oltre il bordo della scheda. L'involucro è poi costruito intorno alla gabbia del connettore SFP in modo che il trasmettitore possa essere accessibile attraverso l'apertura nell'involucro. Le gabbie per connettori SFP non sono obbligatorie, ma per i sistemi che sfrutteranno la capacità di essere hot-swappable, è consigliato includere una gabbia. La gabbia fornisce la stabilità meccanica di cui questi trasmettitori hanno bisogno e guida il modulo trasmettitore nel connettore.

L'immagine sottostante mostra un esempio di una gabbia per connettore SFP (Molex 74737-0009). Queste gabbie sono connettori montati a foro passante (press fit) che si posizionano vicino al bordo del PCB.

Queste gabbie sono semplicemente involucri metallici che si posizionano sulla PCB, non hanno un connettore SFP integrato. Invece, il connettore SFP è disponibile come un numero di parte separato. Queste parti sono interscambiabili tra i vari fornitori. Poiché la gabbia SFP e il connettore SFP sono standardizzati, il connettore SFP si posiziona effettivamente all'interno della gabbia lungo il bordo posteriore. Questo lascia poi spazio affinché il trasmettitore possa scorrere dal lato frontale e connettersi al connettore SFP.

Come appare questo in un layout di PCB? L'esempio sottostante mostra come i due componenti sono posizionati. Nel layout della PCB, la gabbia è posizionata per prima; un buon footprint avrà una linea che segna il bordo della scheda nel layer del corpo 3D o nel layer di Assemblaggio. Nell'esempio sottostante, ho allineato la gabbia lungo il bordo della scheda. Il connettore SFP è poi posizionato all'interno della gabbia lungo il bordo posteriore.

Il connettore deve essere posizionato molto precisamente all'interno della gabbia, altrimenti il trasmettitore non si adatterà al plug e la gabbia dovrà essere rimossa. Per inserire il connettore nella gabbia, si posiziona prima il connettore, e la gabbia verrà montata sopra il connettore. La gabbia ha un'apertura sul retro che permette al connettore montato sulla scheda di sedersi all'interno della gabbia. Per assicurarsi che il connettore sia posizionato correttamente rispetto ai fori passanti per il connettore, leggere il disegno meccanico del connettore; questo disegno mostrerà come allineare i pad e i fori di montaggio per il connettore SFP.

L'immagine sottostante mostra la coppia connettore SFP + gabbia in 3D; la vista è dall'orlo della scheda verso il connettore. Come puoi vedere, la gabbia è appesa oltre il bordo della scheda. Questo dovrebbe illustrare il vantaggio dei modelli STEP nel tuo software di progettazione PCB; puoi verificare l'orientamento, lo spazio e le potenziali interferenze tra questi elementi nel layout del PCB.

Problemi Termici con i Connettori SFP

La disposizione e il layout sono ovviamente importanti da comprendere, ma un altro aspetto importante è l'uso di trasmettitori a fibra ottica con connettori SFP. A causa della potenza consumata in questi connettori, uno dei principali problemi alle velocità di trasmissione più elevate è la potenza consumata da un modulo trasmettitore a fibra ottica. Con oltre una dozzina di W consumati durante il funzionamento con protocolli più veloci destinati alla trasmissione su lunghe distanze tramite fibra, ci sarà molto calore da gestire.

Sfortunatamente, poiché il trasmettitore è sostanzialmente sospeso sopra il PCB dal connettore SFP, non ci sarà alcun contatto diretto con il PCB per dissipare quel calore. Puoi prendere alcuni provvedimenti per aiutare a dissipare il calore:

• Usa un modulo trasmettitore con un dissipatore di calore integrato
• Modella l'involucro per aumentare il contatto con il corpo del modulo
• Considera l'aggiunta di una ventola dietro il modulo

Questo porta un altro vantaggio della gabbia del connettore SFP: possono fornire una funzione di dissipazione del calore. Poiché questi componenti sono semplicemente connettori in lamiera, e sono collegati al piano su uno strato interno, forniscono un meccanismo per dissipare molto calore lontano da un trasmettitore caldo. Questo calore verrebbe trasferito al piano interno e all'involucro, e potrebbe eliminare la necessità di misure di raffreddamento più aggressive come le ventole.

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