PCBレイアウトでSFPコネクタを使用する方法

SFPコネクタは、通常高速ネットワーキング機器に見られる光ファイバートランシーバーモジュールへデータをルーティングするために使用されます。しかし、今日では、データセンター環境外でのファイバートランシーバーの使用を含む複数の設計要求がありました。センサーフュージョン、MIMOシステム、頑丈なOpenVPXスイッチ、および一部の産業用ロボティクスの新しいシステムは、ワークステーションやサーバーに膨大なデータをストリーミングする必要があり、データストリームはレーンごとに10Gbpsを容易に超えます。

このような小さな組み込みデバイスからこれほど多くのデータをストリーミングするには、ファイバートランシーバーまたはバンドルされたミニ同軸インターコネクトのいずれかが必要です。後者はまだ銅上のかさばるコネクタなので、エンジニアが生産グレードのシステムにSFPフォームファクターを要求していることに驚きはありません。将来に向けてこれが増えると予想しているので、非常に高いデータレートを対象としたSFPコネクタとトランシーバーモジュールの正しい使用に関するこの簡単なガイドを準備することにしました。

SFPコネクタの使用開始

スモールフォームファクタプラグガブル（SFP）コネクタは、銅またはファイバーとインターフェースするモジュールに直接接続するように設計されています。これらは一般的にデータセンターのファイバーリンクで使用されますが、上述したように現在では他の場所でも見られるようになっています。このコネクタは、下に示すCisco 10Gモジュールのようなトランシーバーモジュールに対してホットスワップ可能なインターフェースを提供するように設計されています。

SFPコネクタのタイプ

モジュールには、SFPコネクタに差し込む一連の接点がエッジに含まれており、SFPコネクタは標準のSMDコンポーネントとしてPCBに取り付けられます。異なるデータレートのトランシーバーに接続する複数のタイプのSFPコネクタがあります：

• SFP - 様々な速度をサポートする20ピンコネクタ
• SFP+ - SFPと同じですが、最大16 Gbpsをサポート
• SFP28 - また20ピンですが、異なるフォームファクターでより高いデータレートをサポート
• SFP56 - SFP28と同じですが、より高速な速度制限
• QSFP - 上記（およびそのバリアント）と同じですが、はるかに高速なデータレートのために4つのチャネルを使用
• XFP - より大きなフォームファクターと30ピンを持つ10 Gbpsのプラグ可能コネクタ

SFPモジュールは、一つのタイプのコネクタ用に設計されているものは、別のタイプのコネクタと互換性がありません。ただし、コネクタのベンダーが在庫切れの場合、他のコネクタをPCBに代用することができることに注意してください。

SFPコネクタレイアウト例

以下に示すレイアウト例では、25Gリンク（最大100 mの長さ）用の標準的な20ピンSFPコネクタを使用しています。同じ戦略は、上記でリストされた他のタイプのSFPコネクタや、4チャネルモジュール用のQSFPコネクタにも使用できます。

これらのモジュールには、10Gbpsトランシーバーモジュールの例で見ることができるように、低速および高速デジタルインターフェースが含まれています：

レイアウトの重要な点は次のとおりです。右側には、I2Cインターフェースといくつかの制御信号があります。これらはすべて低速であり、コネクタの左側に来る高速差動ペアから一般的に離して配線するべきです。この特定のボードではバランスを取るために銅のプールが使用されましたが、トランシーバーが適切に機能するための要件ではありません。

次に、高速信号が左側から入り、GNDおよびPWRピンに囲まれています。L1のRxおよびTx入出力差動ペアは黄色の矢印でマークされています：

これらのラインは差動ビアを使用して内層に入り、8層PCBでL6まで下がります。外側の2つの誘電体が薄いため（合計厚さ11ミル）、このビアの遷移におけるスタブの長さはすでに最小限に抑えられており、バックドリリングは必要ありません。差動ペアは、約10GHzの帯域幅まで必要な差動インピーダンスを100オームに設定する最適化されたアンチパッドを通過します。

非常に高速なデータレートでは、複数のレーンが1つのQSFPコネクタに集約される場合、コネクタ本体がデータレートを制限する主要な要因として明らかになることがあります。コネクタメーカーは、目標データレートに対してコンポーネントを適格化する努力をしていますが、もちろん、PCB上のラインがコネクタにルーティングされたときに、それらのデータレート目標が完全に達成されるとは限りません。QSFPコネクタとのインターフェース時にこれらのチャネルを完全に適格化するには、ADSやSimbeorのような伝送線シミュレーションプログラムが必要になります。

SFPコネクタ/モジュールの電力整合性

重要なのは、光トランシーバーが光ファイバーに高速パルスを送出しているので、他の高速デジタルコンポーネントと同じように機能するということです。これは、これらのコネクタの電源バスにおける電力整合性についても懸念しなければならないことを意味します。 高速デジタルPDN設計の一般的なガイドラインは、SFPコネクタにも適用されます。

上記の例では、入力電力がパートナーからのテストデータに基づいて低域通過フィルターを通されます。このアプローチには注意が必要です。高速コンポーネントの電源ピンにπフィルターを配置すると、フィルターが適切に減衰されていない場合、非常に強い過渡現象を引き起こす可能性があります。したがって、フィルターが機能することを証明できない限り、レールノイズを抑制するために、単により多くのキャパシタンスを使用することを検討してください。

SFPコネクタケージ

上記の画像は、単純なコネクタとしてPCBに直接取り付けられたSFPコネクタを示しています。その後、光トランシーバーモジュールがボードの端に沿って接続され、トランシーバーはエンクロージャーを通して見えることになります。エンクロージャーにモジュールをエンクロージャーに固定する方法がある場合、これは問題ありません。上に示されたコネクターは、エンクロージャーがボードの端に密接にフィットする場合のように、ボードの端に近いファイバーインターフェースが得られるように、ボードの端から後方に移動することもできます。

多くのネットワーク機器では、SFPコネクタがこのように端にかかることは通常ありません。代わりに、光トランシーバーモジュールはケージを介してSFPコネクタに接続されます。これらのケージは、SFPコネクタの周りに配置される単純な金属製のケージで、ボードの端にわずかにかかることができます。その後、トランシーバーがエンクロージャの開口部を通じてアクセスできるように、SFPコネクタケージの周りにエンクロージャが構築されます。SFPコネクタケージは必須ではありませんが、ホットスワップ機能を利用するシステムの場合、ケージを含めることをお勧めします。ケージは、これらのトランシーバーに必要な機械的安定性を提供し、トランシーバーモジュールをプラグに導きます。

下の画像は、SFPコネクタケージの例を示しています（Molex 74737-0009）。これらのケージは、PCBの端近くに配置されるスルーホール実装（プレスフィット）コネクタです。

これらのケージは、PCB上に設置されるただの金属製の筐体であり、SFPコネクタは組み込まれていません。代わりに、SFPコネクタは別の部品番号として提供されます。これらの部品はベンダー間で互換性があります。SFPケージとSFPコネクタが標準化されているため、SFPコネクタは実際にはケージの後ろの端に沿って内部に配置されます。これにより、トランシーバーが前側からスライドしてSFPコネクタに接続するためのスペースが残されます。

PCBレイアウトではこれがどのように見えるのでしょうか？以下の例は、2つのコンポーネントがどのように配置されるかを示しています。PCBレイアウトでは、まずケージが配置されます。良いフットプリントには、3Dボディレイヤーまたはアセンブリレイヤーにボードエッジを示す線があります。以下の例では、ボードエッジに沿ってケージを配置しました。その後、SFPコネクタがケージの後ろの端に沿って内部に配置されます。

コネクタは、ケージの内部に非常に正確に配置されなければなりません。そうでないと、トランシーバーがプラグに収まらず、ケージを取り外す必要があります。コネクタをケージに入れるためには、まずコネクタを配置し、その上にケージを取り付けます。ケージの背面には、ボードに取り付けられたコネクタがケージの内部に収まるようにする開口部があります。コネクタがコネクタ用のスルーホールに対して正しく配置されていることを確認するためには、コネクタの機械図面を読んでください。この図面には、SFPコネクタのパッドと取り付け穴をどのように合わせるかが示されています。

下の画像は、上記のSFPコネクタ+ケージのペアを3Dで示しており、ビューはボードの端からコネクタを見ています。ご覧の通り、ケージはボードの端を越えてぶら下がっています。これは、PCB設計ソフトウェアのSTEPモデルの利点を示しています。これにより、PCBレイアウト内のこれらの要素間の向き、間隔、および潜在的な干渉を確認できます。

SFPコネクタの熱問題

配置とレイアウトはもちろん重要ですが、SFPコネクタを使用したファイバーオプティックトランシーバーを使用する際のもう一つの重要な側面があります。これらのコネクタで消費される電力のため、高データレートでの主な問題の一つがファイバーオプティックトランシーバーモジュールによって消費される電力です。ファイバー上で非常に長距離の伝送を目的とした高速プロトコルでの動作中には、十数Wが消費され、扱わなければならない熱が大量に発生します。

残念ながら、トランシーバーは基本的にSFPコネクタによってPCBの上に浮かんでいるため、その熱をPCBに直接放散する方法がありません。熱を放散するためにいくつかのステップを踏むことができます：

• 統合ヒートシンク付きのトランシーバーモジュールを使用する
• モジュールの本体との接触を増やすためにエンクロージャを成形する
• モジュールの後ろにファンを追加することを検討する

これはSFPコネクタケージの別の利点を示しています：それらはヒートシンキング機能を提供することができます。これらのコンポーネントは単なるシートメタルのコネクタであり、内部層のプレーンに接続されているため、熱いトランシーバーから多くの熱を放散するメカニズムを提供します。この熱は内部プレーンとエンクロージャに放出され、ファンのようなより積極的な冷却策の必要性をなくすことができます。

TRANSLATE: PCB内で高速信号をSFPコネクタに配置およびルーティングする必要がある場合は、Altium Designer®の2Dおよび3D CADツールを使用してください。設計が完了し、製造業者にファイルをリリースしたい場合、Altium 365™プラットフォームを使えば、プロジェクトの共有やコラボレーションが簡単になります。

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