Como Usar Conectores SFP no Layout da Sua PCB

Conectores SFP são usados para encaminhar dados para módulos transceptores de fibra óptica, que normalmente são encontrados em equipamentos de rede de alta velocidade. Hoje, no entanto, recebi várias solicitações de design que envolvem o uso de transceptores de fibra fora de um ambiente de data center. Sistemas mais novos em fusão de sensores, sistemas MIMO, switches robustos OpenVPX e algumas robóticas industriais precisam transmitir enormes quantidades de dados de volta para uma estação de trabalho ou servidor, com fluxos de dados facilmente excedendo 10 Gbps por via.

Transmitir essa quantidade de dados de um pequeno dispositivo embutido exige ou um transceptor de fibra ou um interconector mini coaxial agrupado. Este último ainda é um conector volumoso sobre cobre, então não me surpreende que engenheiros estejam solicitando um formato SFP para sistemas de grau de produção. Como espero ver mais disso indo para o futuro, decidi preparar este breve guia sobre o uso correto de conectores SFP e módulos transceptores que visam essas taxas de dados muito altas.

Como Começar com um Conector SFP

O conector de fator de forma pequeno pluggable (SFP) é projetado para se conectar diretamente a módulos que se interfaceiam com cobre ou fibra. Geralmente, esses são usados com links de fibra no centro de dados, embora esses links agora estejam sendo encontrados em outros lugares, como mencionei acima. O conector é projetado para fornecer uma interface intercambiável a quente para módulos transceptores como o módulo Cisco 10G mostrado abaixo.

Tipos de Conectores SFP

O módulo inclui um conjunto de contatos ao longo da borda que se conectam ao conector SFP, e o conector SFP será montado na PCB como um componente SMD padrão. Existem vários tipos de conectores SFP que se conectam a transceptores com diferentes taxas de dados:

• SFP - Conector de 20 pinos suportando uma variedade de velocidades
• SFP+ - Igual ao SFP, mas suportando até 16 Gbps
• SFP28 - Também de 20 pinos, mas em um fator de forma alternativo e suportando taxas de dados mais altas
• SFP56 - Igual ao SFP28, mas com limite de velocidade mais alto
• QSFP - Igual aos acima (e suas variantes), mas usa quatro canais para taxas de dados muito mais rápidas
• XFP - Um conector plugável de 10 Gbps com fator de forma maior e 30 pinos

Módulos SFP projetados para um tipo de conector não são compatíveis com outro tipo de conector. Note, no entanto, que se o fornecedor do seu conector estiver sem estoque, outros conectores podem ser substituídos na PCB.

Exemplo de Layout do Conector SFP

No exemplo de layout que mostrarei abaixo, estou usando um conector SFP padrão de 20 pinos para um link de 25G por fibra (até 100 m de comprimento). A mesma estratégia pode ser usada com os outros tipos de conectores SFP com contagens de pinos mais altas listadas acima, bem como conectores QSFP para módulos de 4 canais.

Esses módulos incluem interfaces digitais de baixa e alta velocidade, como podemos ver no exemplo de layout do conector SFP para um módulo transceptor de 10 Gbps:

Os pontos importantes no layout são os seguintes: à direita, temos uma interface I2C e alguns sinais de controle. Todos esses são de baixa velocidade e devem, geralmente, ser roteados para longe dos pares diferenciais de alta velocidade que chegam ao lado esquerdo do conector. O preenchimento com cobre foi usado para balanceamento nesta placa específica, mas isso não é um requisito para o funcionamento adequado do transceptor.

A seguir, os sinais de alta velocidade entram pelo lado esquerdo, e eles são cercados por pinos de GND e PWR. Os pares diferenciais de entrada/saída Rx e Tx no L1 são marcados com setas amarelas:

Essas linhas passam para as camadas internas usando vias diferenciais, as vias descem até o L6 em uma PCB de 8 camadas. Como os dois dielétricos externos são finos (espessura total de 11 mil), o comprimento do stub já é minimizado nesta transição de via e a retroperfuração não é necessária. Os pares diferenciais passam por um antipad otimizado que estabelece a impedância diferencial necessária de 100 Ohms até uma largura de banda de aproximadamente 10 GHz.

Em taxas de dados muito rápidas, onde múltiplas vias são agregadas em um único conector QSFP, o corpo do conector em si pode se tornar aparente como o principal fator limitante da taxa de dados. Os fabricantes de conectores têm feito esforços para qualificar seus componentes contra as taxas de dados alvo, mas, claro, essas metas de taxa de dados podem não ser totalmente atingidas quando as linhas na PCB são roteadas para o conector. Um programa de simulação de linha de transmissão como ADS ou Simbeor seria necessário para qualificar totalmente esses canais ao interagir com um conector QSFP.

Integridade de Energia em Conectores/Módulos SFP

É importante lembrar que os transceptores ópticos estão enviando pulsos rápidos para uma fibra óptica, então eles funcionam exatamente como qualquer outro componente digital de alta velocidade. Isso significa que temos que nos preocupar com a integridade de energia no barramento de energia para esses conectores. As diretrizes típicas para design de PDN digital de alta velocidade aplicam-se também aos conectores SFP.

No exemplo acima, a energia de entrada é passada por um filtro de baixa passagem baseado em dados de teste do nosso parceiro no projeto mencionado. Tenha cuidado com essa abordagem, pois colocar filtros pi em um pino de alimentação para um componente de alta velocidade pode resultar na excitação de um transiente muito forte se o filtro não for criticamente amortecido. Portanto, a menos que você possa provar que o filtro funciona, considere apenas usar mais capacitância para suprimir o ruído da linha.

Gaiolas de Conector SFP

As imagens acima apenas mostram um conector SFP montado diretamente na PCB como um conector simples. O módulo transceptor óptico então se conectaria à placa ao longo de sua borda, e o transceptor ficaria visível através da caixa. Isso é aceitável se a caixa tiver algum método para fixar o módulo dentro dela de forma que o módulo fique estável. O conector mostrado acima também poderia ser movido para trás, longe da borda da placa, de modo que a interface de fibra fique mais próxima da borda da placa, como seria o caso em que a caixa tem um ajuste apertado à borda da placa.

Em muitos equipamentos de rede, o conector SFP geralmente não fica pendurado na borda desta maneira. Em vez disso, o módulo transceptor óptico se conecta ao conector SFP por meio de uma gaiola. Essas gaiolas são simples estruturas metálicas que são colocadas ao redor do conector SFP, e elas podem ficar ligeiramente sobre a borda da placa. A carcaça é então construída ao redor da gaiola do conector SFP para que o transceptor possa ser acessado através da abertura na carcaça. Gaiolas de conector SFP não são obrigatórias, mas para sistemas que vão tirar proveito da capacidade de troca a quente, é recomendado incluir uma gaiola. A gaiola fornece a estabilidade mecânica de que esses transceptores precisam e guia o módulo transceptor para o plugue.

A imagem abaixo mostra um exemplo de uma gaiola de conector SFP (Molex 74737-0009). Essas gaiolas são conectores montados por inserção (press fit) que ficam próximos à borda do PCB.

Essas gaiolas são apenas invólucros metálicos que ficam sobre a PCB, elas não possuem um conector SFP integrado. Em vez disso, o conector SFP está disponível como um número de peça separado. Essas partes são intercambiáveis entre fornecedores. Como a gaiola SFP e o conector SFP são padronizados, o conector SFP fica de fato dentro da gaiola, ao longo da borda traseira. Isso, então, deixa espaço para o transceptor deslizar pela parte frontal e se conectar ao conector SFP.

Como isso se parece em um layout de PCB? O exemplo abaixo mostra como os dois componentes são colocados. No layout da PCB, a gaiola é colocada primeiro; uma boa pegada terá uma linha marcando a borda da placa na camada de corpo 3D ou na camada de Montagem. No exemplo abaixo, eu alinhei a gaiola ao longo da borda da placa. O conector SFP é então colocado dentro da gaiola, ao longo da borda traseira.

O conector deve ser colocado de forma muito precisa dentro da gaiola, caso contrário, o transceptor não se encaixará no plug e a gaiola precisará ser removida. Para colocar o conector na gaiola, o conector é posicionado primeiro, e a gaiola será montada por cima do conector. A gaiola tem uma abertura na parte de trás que permite que o conector montado na placa fique dentro da gaiola. Para garantir que o conector esteja corretamente posicionado em relação aos furos passantes para o conector, leia o desenho mecânico do conector; este desenho mostrará como alinhar os pads e os furos de montagem para o conector SFP.

A imagem abaixo mostra o par de conector SFP + gaiola em 3D; a vista é olhando para dentro do conector a partir da borda da placa. Como você pode ver, a gaiola está pendurada sobre a borda da placa. Isso deve ilustrar a vantagem dos modelos STEP no seu software de design de PCB; você pode verificar a orientação, o espaçamento e a interferência potencial entre esses elementos no layout do PCB.

Problemas Térmicos com Conectores SFP

A colocação e o layout são, claro, importantes de entender, mas outro aspecto importante é o uso de transceptores de fibra óptica com conectores SFP. Devido à energia consumida nesses conectores, um dos principais problemas em taxas de dados mais altas é a energia consumida por um módulo transceptor de fibra óptica. Com mais de uma dúzia de W sendo consumidos durante a operação com protocolos mais rápidos destinados à transmissão de longa distância por fibra, haverá muito calor para lidar.

Infelizmente, como o transceptor fica basicamente suspenso acima da PCB pelo conector SFP, não haverá contato direto com a PCB para dissipar esse calor. Você pode tomar algumas medidas para ajudar a dissipar o calor:

• Use um módulo transceptor com um dissipador de calor integrado
• Molde o invólucro para fazer maior contato com o corpo do módulo
• Considere adicionar um ventilador atrás do módulo

Isso traz outra vantagem de uma gaiola de conector SFP: eles podem fornecer uma função de dissipação de calor. Como esses componentes são apenas conectores de chapa metálica, e eles estão conectados de volta ao plano em uma camada interna, eles fornecem um mecanismo para dissipar muito calor de um transceptor quente. Esse calor seria despejado no plano interno e no invólucro, e isso poderia eliminar a necessidade de medidas de resfriamento mais agressivas, como ventiladores.

Sempre que precisar posicionar e rotear sinais de alta velocidade em um conector SFP na sua PCB, utilize as ferramentas CAD 2D e 3D no Altium Designer. Quando terminar seu projeto e quiser liberar os arquivos para o seu fabricante, a plataforma Altium 365 facilita a colaboração e o compartilhamento dos seus projetos.

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