Как использовать разъемы SFP в вашей компоновке печатной платы

Коннекторы SFP используются для передачи данных в модули оптоволоконных передатчиков, которые обычно находятся в оборудовании для высокоскоростных сетей. Однако сегодня у меня было несколько запросов на дизайн, связанных с использованием оптоволоконных передатчиков вне центров обработки данных. Новые системы в области слияния сенсоров, системы MIMO, прочные коммутаторы OpenVPX и некоторые промышленные роботы требуют передачи огромных объемов данных обратно на рабочую станцию или сервер, при этом потоки данных легко превышают 10 Гбит/с на линию.

Передача такого количества данных от небольшого встроенного устройства требует либо оптоволоконного передатчика, либо связки мини-коаксиальных соединителей. Последний все еще представляет собой громоздкий коннектор на меди, поэтому неудивительно, что инженеры запрашивают форм-фактор SFP для систем производственного класса. Поскольку я ожидаю увидеть это все чаще в будущем, я решил подготовить этот краткий руководство по правильному использованию коннекторов SFP и модулей передатчиков, предназначенных для очень высоких скоростей передачи данных.

Начало работы с коннектором SFP

Малоформатный съемный (SFP) разъем предназначен для прямого подключения к модулям, которые взаимодействуют с медью или волокном. Обычно они используются с волоконно-оптическими линками в центрах обработки данных, хотя теперь эти линки можно встретить и в других местах, как я упоминал выше. Разъем разработан для обеспечения горячей замены интерфейса для модулей передатчиков, например, как модуль Cisco 10G, показанный ниже.

Типы разъемов SFP

Модуль включает в себя набор контактов вдоль края, которые подключаются к разъему SFP, а разъем SFP будет монтироваться на печатную плату как стандартный компонент SMD. Существует несколько типов разъемов SFP, которые подключаются к передатчикам с различными скоростями передачи данных:

• SFP - 20-контактный разъем, поддерживающий различные скорости
• SFP+ - То же, что и SFP, но поддерживает до 16 Гбит/с
• SFP28 - Также 20 контактов, но в альтернативном форм-факторе и поддерживает более высокие скорости передачи данных
• SFP56 - То же, что и SFP28, но с более высоким пределом скорости
• QSFP - То же, что и выше (и его варианты), но использует четыре канала для значительно более высоких скоростей передачи данных
• XFP - 10 Гбит/с подключаемый разъем с большим форм-фактором и 30 контактами

Модули SFP, предназначенные для одного типа разъема, не совместимы с другим типом разъема. Однако обратите внимание, что если ваш поставщик разъемов не имеет в наличии, другие разъемы могут быть использованы вместо них на печатной плате.

Пример компоновки разъема SFP

В примере компоновки ниже я использую стандартный 20-контактный разъем SFP для 25G соединения по оптоволокну (до 100 м длины). Та же стратегия может быть использована с другими типами разъемов SFP с большим количеством контактов, перечисленными выше, а также с разъемами QSFP для 4-канальных модулей.

Эти модули включают в себя интерфейсы цифровой передачи данных низкой и высокой скорости, как мы можем видеть на примере расположения разъема SFP для модуля передатчика 10 Gbps:

Важные моменты в расположении следующие: справа у нас есть интерфейс I2C и некоторые управляющие сигналы. Все они являются низкоскоростными и, как правило, должны быть проложены вдали от высокоскоростных дифференциальных пар, идущих к левой стороне разъема. Медное покрытие использовалось для балансировки на этой конкретной плате, но это не является требованием для нормальной работы передатчика.

Далее, высокоскоростные сигналы входят с левой стороны, и они окружены контактами GND и PWR. Дифференциальные пары входа/выхода Rx и Tx на L1 отмечены желтыми стрелками:

Эти линии проходят во внутренние слои с использованием дифференциальных переходных отверстий, отверстия опускаются до L6 в восьмислойной печатной плате. Поскольку два внешних диэлектрика тонкие (общая толщина 11 мил), длина огрызка уже минимизирована на этом переходе через переходное отверстие, и обратное сверление не требуется. Дифференциальные пары проходят через оптимизированный антипад, который устанавливает требуемый дифференциальный импеданс в 100 Ом до полосы пропускания примерно 10 ГГц.

На очень высоких скоростях передачи данных, когда несколько каналов объединяются в один QSFP-коннектор, сам корпус коннектора может стать основным фактором, ограничивающим скорость передачи данных. Производители коннекторов прилагали усилия для сертификации своих компонентов в соответствии с целевыми скоростями передачи данных, но, конечно, эти цели могут не быть полностью достигнуты, когда линии на печатной плате подключаются к коннектору. Для полной квалификации этих каналов при взаимодействии с QSFP-коннектором потребуется программа моделирования линий передачи, такая как ADS или Simbeor.

Интегритет питания в SFP-коннекторах/модулях

Важно помнить, что оптические передатчики отправляют быстрые импульсы в оптоволокно, поэтому они функционируют так же, как и любой другой компонент высокоскоростной цифровой техники. Это означает, что нам нужно беспокоиться об интегритете питания на шине питания для этих коннекторов. Типичные рекомендации по дизайну PDN для высокоскоростных цифровых устройств применимы и к SFP-коннекторам.

В приведенном выше примере входящая мощность проходит через низкочастотный фильтр на основе тестовых данных от нашего партнера по вышеуказанному проекту. Будьте осторожны с этим подходом, так как установка пи-фильтров на питающий контакт для компонента с высокой скоростью может привести к возбуждению очень сильного переходного процесса, если фильтр не настроен критически. Поэтому, если вы не можете доказать, что фильтр работает, рассмотрите возможность использования большего количества емкости для подавления шума на шине.

Корпуса разъемов SFP

На изображениях выше просто показан разъем SFP, непосредственно установленный на печатную плату как простой разъем. Затем оптический передатчик подключается к плате вдоль ее края, и передатчик будет виден через корпус. Это подходит, если корпус имеет какой-либо метод фиксации модуля в корпусе, так чтобы модуль был стабилен. Показанный выше разъем также может быть перемещен дальше от края платы, так чтобы оптический интерфейс был ближе к краю платы, как это бывает, когда корпус плотно прилегает к краю платы.

Во многих устройствах сетевого оборудования разъем SFP обычно не будет выступать за край таким образом. Вместо этого модуль оптического передатчика будет подключаться к разъему SFP через корпус. Эти корпуса представляют собой простые металлические корпуса, которые размещаются вокруг разъема SFP, и они могут немного выступать за край платы. Затем вокруг корпуса разъема SFP строится оболочка, так что к передатчику можно получить доступ через отверстие в оболочке. Корпуса разъемов SFP не обязательны, но для систем, которые будут использовать возможность горячей замены, рекомендуется включать корпус. Корпус обеспечивает механическую стабильность, необходимую этим передатчикам, и направляет модуль передатчика в разъем.

На изображении ниже показан пример корпуса разъема SFP (Molex 74737-0009). Эти корпуса являются сквозными (прессованными) разъемами, которые располагаются рядом с краем печатной платы.

Эти корпуса представляют собой просто металлические оболочки, которые устанавливаются на печатную плату, они не имеют встроенного SFP-разъема. Вместо этого SFP-разъем предлагается как отдельный номер детали. Эти детали взаимозаменяемы между производителями. Поскольку корпус SFP и SFP-разъем стандартизированы, SFP-разъем фактически располагается внутри корпуса вдоль заднего края. Это оставляет пространство для того, чтобы передатчик мог скользить через переднюю сторону и подключаться к SFP-разъему.

Как это выглядит на макете печатной платы? Пример ниже показывает, как размещаются два компонента. На макете печатной платы сначала устанавливается корпус; хороший чертеж будет иметь линию, обозначающую край платы на слое 3D-корпуса или на сборочном слое. В примере ниже я выровнял корпус вдоль края платы. Затем SFP-разъем устанавливается внутри корпуса вдоль заднего края.

Коннектор должен быть очень точно размещен внутри корпуса, иначе передатчик не войдет в разъем, и корпус придется снимать. Чтобы установить коннектор в корпус, сначала размещают коннектор, а затем сверху на него монтируют корпус. У корпуса есть отверстие сзади, которое позволяет размещенному на плате коннектору находиться внутри корпуса. Чтобы убедиться, что коннектор размещен правильно относительно сквозных отверстий для коннектора, прочтите механический чертеж коннектора; на этом чертеже будет показано, как выровнять контактные площадки и монтажные отверстия для SFP-коннектора.

На изображении ниже показана вышеупомянутая пара SFP-коннектор + корпус в 3D; вид смотрит внутрь коннектора с края платы. Как вы можете видеть, корпус свисает с края платы. Это должно иллюстрировать преимущество моделей STEP в вашем программном обеспечении для проектирования печатных плат; вы можете проверить ориентацию, расстояние и потенциальное вмешательство между этими элементами на макете печатной платы.

Тепловые проблемы с SFP-коннекторами

Размещение и компоновка, конечно, важны для понимания, но другой важный аспект использования оптоволоконных передатчиков с коннекторами SFP. Из-за потребляемой мощности в этих коннекторах одной из основных проблем при более высоких скоростях передачи данных является мощность, потребляемая модулем оптоволоконного передатчика. С потреблением более дюжины Вт во время работы с более быстрыми протоколами, предназначенными для очень длинных дистанций передачи по волокну, придется иметь дело с большим количеством тепла.

К сожалению, поскольку передатчик фактически подвешен над печатной платой с помощью коннектора SFP, прямого контакта с печатной платой для рассеивания этого тепла не будет. Вы можете предпринять несколько шагов, чтобы помочь рассеять тепло:

• Используйте модуль передатчика с интегрированным радиатором
• Сформируйте корпус так, чтобы он лучше соприкасался с корпусом модуля
• Рассмотрите возможность добавления вентилятора за модулем

Это приводит к другому преимуществу корпуса коннектора SFP: они могут выполнять функцию радиатора. Поскольку эти компоненты представляют собой лишь металлические соединители, и они соединены обратно с плоскостью на внутреннем слое, они обеспечивают механизм для рассеивания большого количества тепла от горячего передатчика. Это тепло будет передано во внутреннюю плоскость и корпус, и это может исключить необходимость в более агрессивных мерах охлаждения, таких как вентиляторы.

Когда вам нужно разместить и проложить высокоскоростные сигналы в разъем SFP на вашей печатной плате, используйте 2D и 3D CAD инструменты в Altium Designer. Когда вы закончили свой проект и хотите отправить файлы вашему производителю, платформа Altium 365 упрощает сотрудничество и обмен проектами.

Мы только затронули поверхность возможностей Altium Designer на Altium 365. Начните вашу бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 сегодня.