PCB 레이아웃에서 SFP 커넥터 사용 방법

SFP 커넥터는 일반적으로 고속 네트워킹 장비에서 발견되는 광 트랜시버 모듈로 데이터를 라우팅하는 데 사용됩니다. 그러나 오늘날, 데이터 센터 환경 외부에서 광 트랜시버 사용을 포함하는 설계 요청을 여러 번 받았습니다. 센서 퓨전, MIMO 시스템, 견고한 OpenVPX 스위치 및 일부 산업용 로봇과 같은 새로운 시스템은 엄청난 양의 데이터를 워크스테이션 또는 서버로 스트리밍해야 하며, 데이터 스트림은 레인 당 10 Gbps를 쉽게 초과합니다.

소형 임베디드 장치에서 이렇게 많은 데이터를 스트리밍하려면 광 트랜시버 또는 번들 미니 동축 인터커넥트가 필요합니다. 후자는 여전히 구리 위의 덩치 큰 커넥터이므로, 엔지니어들이 생산 등급 시스템에 SFP 폼 팩터를 요청하는 것이 놀랍지 않습니다. 앞으로 이러한 추세가 더 많아질 것으로 예상하면서, 이 매우 높은 데이터 속도를 목표로 하는 SFP 커넥터와 트랜시버 모듈의 올바른 사용에 대한 간단한 가이드를 준비하기로 결정했습니다.

SFP 커넥터 사용 시작하기

소형 폼 팩터 플러그형(SFP) 커넥터는 구리 또는 광섬유와 인터페이스하는 모듈에 직접 연결하도록 설계되었습니다. 이러한 커넥터는 일반적으로 데이터 센터에서 광섬유 링크와 함께 사용되지만, 위에서 언급한 것처럼 이제 다른 곳에서도 발견되고 있습니다. 이 커넥터는 아래에 표시된 Cisco 10G 모듈과 같은 송수신기 모듈에 대한 핫-스왑 가능 인터페이스를 제공하도록 설계되었습니다.

SFP 커넥터 유형

모듈에는 SFP 커넥터에 꽂히는 가장자리를 따라 일련의 접점이 포함되어 있으며, SFP 커넥터는 표준 SMD 구성 요소로 PCB에 장착됩니다. 다양한 데이터 속도를 가진 송수신기에 연결하는 여러 유형의 SFP 커넥터가 있습니다:

• SFP - 다양한 속도를 지원하는 20핀 커넥터
• SFP+ - SFP와 동일하지만 최대 16 Gbps를 지원
• SFP28 - 또한 20핀이지만 대체 폼 팩터에서 더 높은 데이터 속도를 지원
• SFP56 - SFP28과 동일하지만 더 높은 속도 제한
• QSFP - 위의 것(및 그 변형)과 동일하지만 훨씬 빠른 데이터 속도를 위해 4개의 채널을 사용
• XFP - 더 큰 폼 팩터와 30핀을 가진 10 Gbps 플러그 가능 커넥터

하나의 커넥터 유형에 설계된 SFP 모듈은 다른 유형의 커넥터와 호환되지 않습니다. 그러나, 커넥터 공급업체의 재고가 없는 경우, 다른 커넥터를 PCB에 대체할 수 있다는 점을 유의하세요.

SFP 커넥터 레이아웃 예시

아래에서 보여줄 레이아웃 예시에서, 나는 25G 링크를 위한 표준 20핀 SFP 커넥터를 사용하고 있습니다(최대 100m 길이의 광섬유). 위에 나열된 다른 유형의 SFP 커넥터와 더 높은 핀 수를 가진 QSFP 커넥터에 대해서도 동일한 전략을 사용할 수 있습니다.

이 모듈들은 낮은 속도와 높은 속도의 디지털 인터페이스를 포함하고 있으며, 10 Gbps 송수신 모듈을 위한 예시인 SFP 커넥터 레이아웃에서 볼 수 있습니다:

레이아웃에서 중요한 점은 다음과 같습니다: 오른쪽에는 I2C 인터페이스와 일부 제어 신호들이 있습니다. 이들은 모두 낮은 속도이며 일반적으로 커넥터의 왼쪽으로 오는 고속 차동 쌍으로부터 멀리 라우팅되어야 합니다. 구리 푸어는 이 특정 보드에서 균형을 맞추기 위해 사용되었지만, 송수신기가 제대로 기능하는 데 필수적인 것은 아닙니다.

다음으로, 고속 신호들이 왼쪽에서 들어오며, GND와 PWR 핀으로 둘러싸여 있습니다. L1에서 Rx와 Tx 입력/출력 차동 쌍은 노란색 화살표로 표시되어 있습니다:

이 선들은 차동 비아를 사용하여 내부 레이어로 들어가며, 8층 PCB에서 비아는 L6까지 내려갑니다. 외부 두 개의 유전체가 얇기 때문에(총 두께 11 mil), 이 비아 전환에서 스터브 길이는 이미 최소화되었고 백드릴링은 필요하지 않습니다. 차동 쌍은 약 10 GHz의 대역폭까지 필요한 안티패드를 통해 최적화되어 차동 임피던스를 100 옴으로 설정합니다.

매우 빠른 데이터 속도에서 여러 레인이 단일 QSFP 커넥터로 집약될 때, 커넥터 본체 자체가 데이터 속도를 제한하는 주요 요소로 나타날 수 있습니다. 커넥터 제조업체들은 자신들의 부품을 목표 데이터 속도에 대해 검증하기 위해 노력해왔지만, 물론 PCB 상의 라인이 커넥터로 라우팅될 때 그 목표 데이터 속도가 완전히 달성되지 않을 수 있습니다. QSFP 커넥터와 인터페이싱할 때 이러한 채널을 완전히 검증하기 위해서는 ADS나 Simbeor와 같은 전송선 시뮬레이션 프로그램이 필요할 것입니다.

SFP 커넥터/모듈의 전력 무결성

중요한 것은, 광 트랜시버가 광섬유로 빠른 펄스를 보내고 있으므로, 다른 고속 디지털 구성요소처럼 작동한다는 점을 기억하는 것입니다. 이는 이러한 커넥터의 전력 버스에 대한 전력 무결성에 대해 우려해야 함을 의미합니다. 고속 디지털 PDN 설계에 대한 일반적인 지침이 SFP 커넥터에도 적용됩니다.

위의 예에서, 들어오는 전력은 위 프로젝트에 대한 파트너의 테스트 데이터를 기반으로 한 저역 통과 필터를 통과합니다. 고속 구성 요소의 전원 핀에 파이 필터를 배치하는 이 접근법은 필터가 비판적으로 감쇠되지 않은 경우 매우 강한 과도 현상을 유발할 수 있으므로 주의해야 합니다. 따라서 필터가 작동한다는 것을 증명할 수 없다면, 레일 노이즈를 억제하기 위해 단순히 더 많은 커패시턴스를 사용하는 것을 고려하십시오.

SFP 커넥터 케이지

위의 이미지는 단순히 SFP 커넥터가 PCB에 직접 장착된 모습만을 보여줍니다. 그런 다음 광 트랜시버 모듈이 보드의 가장자리에 연결되고, 트랜시버는 인클로저를 통해 보일 것입니다. 인클로저에 모듈을 인클로저에 고정시키는 방법이 있다면 이는 괜찮습니다. 그래서 모듈이 안정적입니다. 위에 표시된 커넥터는 보드 가장자리에서 멀어지도록 이동할 수도 있어, 인클로저가 보드 가장자리에 밀착된 경우처럼 광 인터페이스가 보드 가장자리에 더 가까워집니다.

많은 네트워킹 장비에서 SFP 커넥터는 이런 식으로 가장자리에서 매달리지 않습니다. 대신, 광 트랜시버 모듈은 케이지를 통해 SFP 커넥터에 연결됩니다. 이 케이지들은 SFP 커넥터 주변에 배치되는 간단한 금속 케이지이며, 보드 가장자리를 약간 넘어 매달릴 수 있습니다. 그런 다음 인클로저가 SFP 커넥터 케이지 주변에 구축되어 트랜시버가 인클로저의 개구부를 통해 접근할 수 있도록 합니다. SFP 커넥터 케이지는 필수는 아니지만, 핫 스왑 기능을 활용할 시스템의 경우 케이지를 포함하는 것이 권장됩니다. 케이지는 이 트랜시버에 필요한 기계적 안정성을 제공하며 트랜시버 모듈을 플러그로 안내합니다.

아래 이미지는 SFP 커넥터 케이지의 예를 보여줍니다(Molex 74737-0009). 이 케이지들은 PCB 가장자리 근처에 위치하는 스루홀 장착(프레스 핏) 커넥터입니다.

이 케이지들은 PCB 위에 앉아 있는 단순한 금속 외함일 뿐, 내부에 SFP 커넥터가 내장되어 있지 않습니다. 대신, SFP 커넥터는 별도의 부품 번호로 제공됩니다. 이 부품들은 제조업체 간에 교환 가능합니다. SFP 케이지와 SFP 커넥터가 표준화되어 있기 때문에, SFP 커넥터는 실제로 케이지 안쪽 뒷면에 위치합니다. 이는 트랜시버가 앞쪽으로 슬라이드되어 SFP 커넥터에 연결될 수 있는 공간을 남깁니다.

PCB 레이아웃에서 이것은 어떻게 보일까요? 아래 예시는 두 구성 요소가 어떻게 배치되는지 보여줍니다. PCB 레이아웃에서는 케이지가 먼저 배치됩니다; 좋은 풋프린트는 3D 바디 레이어나 조립 레이어에 보드 가장자리를 표시하는 선을 가지고 있을 것입니다. 아래 예시에서, 저는 케이지를 보드 가장자리에 맞춰 배치했습니다. 그 다음 SFP 커넥터는 케이지 안쪽 뒷면에 배치됩니다.

커넥터는 케이지 안에 매우 정밀하게 배치되어야 합니다. 그렇지 않으면 송수신기가 플러그에 맞지 않아 케이지를 제거해야 할 수 있습니다. 커넥터를 케이지 안에 넣기 위해, 먼저 커넥터를 배치하고 그 위에 케이지를 장착합니다. 케이지는 보드에 장착된 커넥터가 케이지 안에 들어갈 수 있도록 뒷면에 개구부가 있습니다. 커넥터가 커넥터용 스루홀에 대해 올바르게 배치되었는지 확인하려면 커넥터의 기계 도면을 읽으십시오. 이 도면은 SFP 커넥터의 패드와 장착 홀을 맞추는 방법을 보여줍니다.

아래 이미지는 위의 SFP 커넥터 + 케이지 쌍을 3D로 보여줍니다. 보드 가장자리에서 커넥터를 바라보는 시점입니다. 보시다시피, 케이지는 보드 가장자리를 넘어 매달려 있습니다. 이는 PCB 설계 소프트웨어에서 STEP 모델의 장점을 보여줍니다. PCB 레이아웃에서 이러한 요소들 사이의 방향, 간격, 그리고 잠재적인 간섭을 확인할 수 있습니다.

SFP 커넥터의 열 문제

배치와 레이아웃이 물론 중요하지만, SFP 커넥터를 사용하는 광섬유 트랜시버를 사용할 때 또 다른 중요한 측면이 있습니다. 이 커넥터에서 소비되는 전력 때문에, 높은 데이터 속도에서 주요 문제 중 하나는 광섬유 트랜시버 모듈에 의해 소비되는 전력입니다. 광섬유를 통한 매우 장거리 전송을 위해 설계된 빠른 프로토콜로 운영 중에 수십 W가 소비되므로, 처리해야 할 열이 많을 것입니다.

불행히도, 트랜시버가 기본적으로 SFP 커넥터에 의해 PCB 위에 매달려 있기 때문에, 그 열을 PCB에 직접 전달하여 분산시킬 방법이 없습니다. 열을 분산시키는 데 도움이 되는 몇 가지 조치를 취할 수 있습니다:

• 통합 히트싱크가 있는 트랜시버 모듈 사용
• 모듈의 본체와 더 많은 접촉을 하도록 인클로저를 성형
• 모듈 뒤에 팬 추가 고려

SFP 커넥터 케이지의 또 다른 장점을 이야기하자면, 이들은 열 싱킹 기능을 제공할 수 있습니다. 이러한 구성요소들은 단지 시트 메탈 커넥터일 뿐이며, 내부 레이어의 평면에 연결되어 있기 때문에, 뜨거운 트랜시버로부터 많은 열을 분산시키는 메커니즘을 제공합니다. 이 열은 내부 평면과 인클로저로 전달되어, 팬과 같은 더 공격적인 냉각 조치의 필요성을 없앨 수 있습니다.

PCB에서 고속 신호를 SFP 커넥터에 배치하고 라우팅해야 할 때는 Altium Designer®의 2D 및 3D CAD 도구를 사용하세요. 디자인을 마치고 제조업체에 파일을 릴리스하고 싶을 때는 Altium 365™ 플랫폼이 프로젝트를 협업하고 공유하기 쉽게 해줍니다.

Altium Designer와 Altium 365로 가능한 것의 표면만 긁어본 것입니다. 오늘 Altium Designer + Altium 365의 무료 체험을 시작하세요.