Jak używać złącz SFP w układzie PCB

Złącza SFP są używane do kierowania danych do modułów nadawczo-odbiorczych światłowodowych, które zazwyczaj znajdują się w sprzęcie sieciowym o wysokiej prędkości. Dzisiaj jednak otrzymałem wiele zapytań projektowych dotyczących użycia nadajników światłowodowych poza środowiskiem centrum danych. Nowe systemy w fuzji sensorów, systemach MIMO, wytrzymałych przełącznikach OpenVPX oraz niektórych robotach przemysłowych muszą przesyłać ogromne ilości danych z powrotem do stacji roboczej lub serwera, przy czym strumienie danych łatwo przekraczają 10 Gbps na pasmo.

Przesyłanie takiej ilości danych z małego urządzenia wbudowanego wymaga albo nadajnika światłowodowego, albo zestawu mini koaksjalnych połączeń międzyzłączowych. Ten ostatni to nadal masywne złącze na miedzi, więc nie dziwi mnie, że inżynierowie proszą o złącza SFP w formacie nadającym się do systemów produkcyjnych. Spodziewając się, że w przyszłości będziemy obserwować więcej takich zastosowań, postanowiłem przygotować ten krótki przewodnik na temat poprawnego używania złącz SFP i modułów nadawczo-odbiorczych, które celują w te bardzo wysokie prędkości transmisji danych.

Rozpoczynając z złączem SFP

Złącze małej formy (SFP) jest zaprojektowane do bezpośredniego łączenia się z modułami, które współpracują z miedzią lub światłowodem. Zazwyczaj są one używane z połączeniami światłowodowymi w centrum danych, chociaż obecnie te połączenia znajdują zastosowanie również w innych miejscach, jak wspomniałem powyżej. Złącze jest zaprojektowane, aby zapewnić wymienną na gorąco interfejs dla modułów nadawczo-odbiorczych, takich jak pokazany poniżej moduł Cisco 10G.

Typy złączy SFP

Moduł zawiera zestaw styków wzdłuż krawędzi, które wpinają się w złącze SFP, a złącze SFP montuje się do PCB jako standardowy komponent SMD. Istnieje wiele typów złączy SFP, które łączą się z transceiverami o różnych prędkościach transmisji danych:

• SFP - 20-pinowy złącze obsługujące różne prędkości
• SFP+ - Takie samo jak SFP, ale obsługujące do 16 Gbps
• SFP28 - Również 20 pinów, ale w alternatywnej formie i obsługujące wyższe prędkości danych
• SFP56 - Takie samo jak SFP28, ale z wyższym limitem prędkości
• QSFP - Takie samo jak powyżej (i jego warianty), ale używa czterech kanałów dla znacznie szybszych prędkości danych
• XFP - 10 Gbps złącze typu pluggable z większą formą i 30 pinami

Moduły SFP zaprojektowane dla jednego typu złącza nie są kompatybilne z innym typem złącza. Należy jednak zauważyć, że jeśli dostawca złącz jest bez zapasów, inne złącza mogą być zastąpione na PCB.

Przykład układu złącza SFP

W przykładzie układu, który pokażę poniżej, używam standardowego 20-pinowego złącza SFP dla łącza 25G przez światłowód (do 100 m długości). Ta sama strategia może być użyta z innymi typami złącz SFP o wyższej liczbie pinów wymienionych powyżej, jak również złącz QSFP dla modułów 4-kanałowych.

Te moduły zawierają interfejsy cyfrowe o niskiej i wysokiej prędkości, jak możemy zobaczyć na przykładzie układu złącza SFP dla modułu nadawczo-odbiorczego 10 Gbps:

Ważne punkty w układzie są następujące: po prawej stronie mamy interfejs I2C oraz kilka sygnałów sterujących. Wszystkie te elementy są niskiej prędkości i ogólnie powinny być prowadzone z dala od par różnicowych wysokiej prędkości, przychodzących od lewej strony złącza. Warstwa miedzi została użyta do balansowania na tej konkretnej płytce, ale nie jest to wymagane do prawidłowego działania nadajnika-odbiorcy.

Następnie sygnały wysokiej prędkości wchodzą od lewej strony, otoczone przez piny GND i PWR. Pary różnicowe Rx i Tx wejścia/wyjścia na L1 są oznaczone żółtymi strzałkami:

Te linie przechodzą do wewnętrznych warstw za pomocą różnicowych via, via opadają do L6 w 8-warstwowej PCB. Ponieważ dwa zewnętrzne dielektryki są cienkie (łączna grubość 11 mil), długość trzpienia jest już zminimalizowana w tej przejściówce via i wiercenie zwrotne nie jest potrzebne. Pary różnicowe przechodzą przez zoptymalizowany antipad, który ustala wymaganą impedancję różnicową na 100 omów do pasma o szerokości około 10 GHz.

Przy bardzo szybkich prędkościach transmisji danych, gdzie wiele linii jest agregowanych do pojedynczego złącza QSFP, samo ciało złącza może stać się widoczne jako główny czynnik ograniczający prędkość transmisji danych. Producenci złącz podjęli wysiłki, aby zakwalifikować swoje komponenty w odniesieniu do docelowych prędkości transmisji danych, ale oczywiście te docelowe prędkości mogą nie zostać w pełni osiągnięte, gdy linie na PCB są prowadzone do złącza. Program do symulacji linii transmisyjnych, taki jak ADS lub Simbeor, byłby potrzebny do pełnej kwalifikacji tych kanałów podczas interfejsowania z złączem QSFP.

Integralność zasilania w złączach/modułach SFP

Ważne jest, aby pamiętać, że transceivery optyczne wysyłają szybkie impulsy do włókna optycznego, więc funkcjonują one tak samo jak każdy inny komponent cyfrowy wysokiej prędkości. Oznacza to, że musimy martwić się o integralność zasilania na magistrali zasilającej dla tych złącz. Typowe wytyczne dla projektowania PDN cyfrowych urządzeń wysokiej prędkości stosują się również do złącz SFP.

W powyższym przykładzie, przychodząca moc jest przepuszczana przez filtr dolnoprzepustowy na podstawie danych testowych od naszego partnera w powyższym projekcie. Należy zachować ostrożność przy tym podejściu, ponieważ umieszczenie filtrów pi na pinie zasilania dla komponentu o wysokiej prędkości może spowodować wzbudzenie bardzo silnego przejściowego, jeśli filtr nie jest krytycznie tłumiony. Dlatego, chyba że możesz udowodnić, że filtr działa, rozważ po prostu użycie większej pojemności do tłumienia szumów szynowych.

Obudowy złącz SFP

Obrazy powyżej pokazują po prostu złącze SFP zamontowane bezpośrednio na PCB jako proste złącze. Moduł nadawczo-odbiorczy światłowodowy następnie łączyłby się z płytą wzdłuż jej krawędzi, a nadajnik-odbiorca byłby widoczny przez obudowę. Jest to dopuszczalne, jeśli obudowa ma jakiś sposób na zamocowanie modułu w obudowie, tak aby moduł był stabilny. Pokazane powyżej złącze mogłoby być również przesunięte dalej od krawędzi płyty, tak aby interfejs światłowodowy był bliżej krawędzi płyty, jak ma to miejsce w przypadku, gdy obudowa ściśle przylega do krawędzi płyty.

W wielu elementach sprzętu sieciowego złącze SFP zazwyczaj nie będzie wystawać na zewnątrz w ten sposób. Zamiast tego, moduł nadawczo-odbiorczy będzie połączony ze złączem SFP za pomocą klatki. Te klatki to proste metalowe klatki, które są umieszczane wokół złącza SFP i mogą nieznacznie wystawać poza krawędź płyty. Obudowa jest następnie budowana wokół klatki złącza SFP, tak aby nadajnik-odbiorca mógł być dostępny przez otwór w obudowie. Klatki złącza SFP nie są wymagane, ale dla systemów, które będą korzystać z możliwości gorącej wymiany, zaleca się dołączenie klatki. Klatka zapewnia mechaniczną stabilność, której potrzebują te nadajniki-odbiorcze i kieruje moduł nadajnika do wtyczki.

Poniższy obraz pokazuje przykład klatki złącza SFP (Molex 74737-0009). Te klatki to złącza montowane przelotowo (prasa pasująca), które znajdują się blisko krawędzi PCB.

Te klatki to po prostu metalowe obudowy, które umieszcza się na PCB, nie mają wbudowanego złącza SFP. Zamiast tego, złącze SFP jest dostępne jako oddzielny numer części. Te części są wymienne między dostawcami. Ponieważ klatka SFP i złącze SFP są ustandaryzowane, złącze SFP faktycznie umieszcza się wewnątrz klatki wzdłuż tylnej krawędzi. Pozostawia to miejsce, przez które przesuwa się nadajnik-odbiornik od frontu i łączy się z złączem SFP.

Jak to wygląda w układzie PCB? Poniższy przykład pokazuje, jak umieszczone są oba komponenty. W układzie PCB najpierw umieszcza się klatkę; dobry ślad będzie miał linię oznaczającą krawędź płyty w warstwie 3D body lub w warstwie montażowej. W poniższym przykładzie umieściłem klatkę wzdłuż krawędzi płyty. Następnie wewnątrz klatki, wzdłuż tylnej krawędzi, umieszcza się złącze SFP.

Złącze musi być umieszczone bardzo precyzyjnie wewnątrz klatki, w przeciwnym razie nadajnik-odbiornik nie będzie pasował do wtyczki, a klatka musiałaby zostać usunięta. Aby umieścić złącze w klatce, najpierw umieszcza się złącze, a klatka jest montowana na wierzchu złącza. Klatka ma otwór z tyłu, który pozwala na umieszczenie złącza montowanego na płycie wewnątrz klatki. Aby upewnić się, że złącze jest umieszczone poprawnie względem otworów przelotowych dla złącza, należy przeczytać rysunek techniczny złącza; ten rysunek pokaże, jak wyrównać pady i otwory montażowe dla złącza SFP.

Obraz poniżej pokazuje powyższą parę złącze SFP + klatka w 3D; widok jest skierowany do złącza od krawędzi płyty. Jak możesz zobaczyć, klatka zwisa nad krawędzią płyty. Powinno to zilustrować zaletę modeli STEP w oprogramowaniu do projektowania PCB; możesz zweryfikować orientację, odstępy i potencjalne interferencje między tymi elementami w układzie PCB.

Problemy termiczne z złączami SFP

Umieszczenie i układ są oczywiście ważne do zrozumienia, ale innym ważnym aspektem jest używanie transceiverów światłowodowych z konektorami SFP. Ze względu na moc zużywaną przez te konektory, jednym z głównych problemów przy wyższych prędkościach transmisji danych jest moc zużywana przez moduł transceivera światłowodowego. Przy zużyciu ponad kilkunastu W podczas działania z szybszymi protokołami przeznaczonymi do bardzo długich transmisji przez światłowód, będziemy mieli do czynienia z dużą ilością ciepła.

Niestety, ponieważ transceiver jest w zasadzie zawieszony nad PCB przez konektor SFP, nie będzie bezpośredniego kontaktu z PCB, aby rozproszyć to ciepło. Możesz podjąć kilka kroków, aby pomóc w rozpraszaniu ciepła:

• Użyj modułu transceivera z zintegrowanym radiatorem
• Formuj obudowę tak, aby miała większy kontakt z ciałem modułu
• Rozważ dodanie wentylatora za modułem

To prowadzi do kolejnej zalety klatki konektora SFP: mogą one pełnić funkcję radiatora. Ponieważ te komponenty to po prostu konektory z blachy, a są one połączone z powrotem z płaszczyzną na wewnętrznej warstwie, zapewniają mechanizm do rozpraszania dużo ciepła z gorącego transceivera. To ciepło byłoby odprowadzane do wewnętrznej płaszczyzny i obudowy, co mogłoby wyeliminować potrzebę bardziej agresywnych środków chłodzących, takich jak wentylatory.

Kiedykolwiek potrzebujesz umieścić i poprowadzić sygnały wysokiej prędkości do złącza SFP na swojej płytce PCB, użyj narzędzi CAD 2D i 3D w Altium Designer®. Gdy zakończysz projektowanie i będziesz chciał przekazać pliki swojemu producentowi, platforma Altium 365™ ułatwia współpracę i udostępnianie projektów.

Dotknęliśmy tylko powierzchni możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową wersję próbną Altium Designer + Altium 365 już dziś.