Cách Sử Dụng Cổng Kết Nối SFP Trong Bố Cục PCB Của Bạn

Các kết nối SFP được sử dụng để định tuyến dữ liệu vào các mô-đun thu phát quang học, thường được tìm thấy trong thiết bị mạng tốc độ cao. Tuy nhiên, hôm nay, tôi đã nhận được nhiều yêu cầu thiết kế liên quan đến việc sử dụng bộ thu phát quang ngoài môi trường trung tâm dữ liệu. Các hệ thống mới trong việc kết hợp cảm biến, hệ thống MIMO, công tắc OpenVPX chịu đựng được và một số robot công nghiệp cần phải truyền một lượng lớn dữ liệu trở lại máy trạm hoặc máy chủ, với dòng dữ liệu dễ dàng vượt quá 10 Gbps trên mỗi làn.

Việc truyền dữ liệu nhiều như vậy từ một thiết bị nhúng nhỏ đòi hỏi phải có bộ thu phát quang hoặc một kết nối mini coax được bó lại. Cái sau vẫn là một kết nối cồng kềnh trên đồng, vì vậy tôi không ngạc nhiên khi các kỹ sư yêu cầu một hình dạng SFP cho các hệ thống cấp sản xuất. Khi tôi mong đợi sẽ thấy nhiều hơn điều này trong tương lai, tôi quyết định chuẩn bị hướng dẫn ngắn gọn này về cách sử dụng đúng các kết nối SFP và mô-đun thu phát nhắm đến những tốc độ dữ liệu cao như vậy.

Bắt đầu với Kết nối SFP

Bộ kết nối nhỏ gọn có thể cắm (SFP) được thiết kế để kết nối trực tiếp với các mô-đun giao tiếp với đồng hoặc sợi quang. Chúng thường được sử dụng với các liên kết sợi quang trong trung tâm dữ liệu, mặc dù hiện nay các liên kết này cũng được tìm thấy ở những nơi khác như tôi đã đề cập ở trên. Bộ kết nối được thiết kế để cung cấp một giao diện có thể thay thế nóng cho các mô-đun thu phát như mô-đun Cisco 10G được hiển thị bên dưới.

Loại Kết Nối SFP

Mô-đun bao gồm một bộ tiếp xúc dọc theo cạnh mà cắm vào bộ kết nối SFP, và bộ kết nối SFP sẽ được gắn vào PCB như một thành phần SMD tiêu chuẩn. Có nhiều loại bộ kết nối SFP kết nối với các bộ thu phát với các tốc độ dữ liệu khác nhau:

• SFP - Bộ kết nối 20 chân hỗ trợ nhiều tốc độ khác nhau
• SFP+ - Tương tự như SFP nhưng hỗ trợ tới 16 Gbps
• SFP28 - Cũng 20 chân, nhưng với dạng hình khác và hỗ trợ tốc độ dữ liệu cao hơn
• SFP56 - Tương tự như SFP28 nhưng có giới hạn tốc độ cao hơn
• QSFP - Tương tự như trên (và các biến thể của nó), nhưng sử dụng bốn kênh cho tốc độ dữ liệu nhanh hơn nhiều
• XFP - Bộ kết nối cắm 10 Gbps với dạng hình lớn hơn và 30 chân

Các mô-đun SFP được thiết kế cho một loại kết nối không tương thích với loại kết nối khác. Tuy nhiên, lưu ý rằng nếu nhà cung cấp kết nối của bạn hết hàng, các kết nối khác có thể được thay thế vào PCB.

Ví dụ về Bố trí Kết nối SFP

Trong ví dụ bố trí dưới đây, tôi sử dụng bộ kết nối SFP tiêu chuẩn 20 chân cho liên kết 25G qua sợi quang (đến 100 m chiều dài). Cùng một chiến lược có thể được sử dụng với các loại kết nối SFP khác có số chân cao hơn được liệt kê ở trên, cũng như các kết nối QSFP cho các mô-đun 4 kênh.

Những mô-đun này bao gồm các giao diện số tốc độ thấp và tốc độ cao, như chúng ta có thể thấy trên ví dụ về bố trí cổng kết nối SFP cho một mô-đun truyền dẫn 10 Gbps:

Các điểm quan trọng trong bố trí như sau: bên phải, chúng ta có một giao diện I2C và một số tín hiệu điều khiển. Tất cả những này đều là tốc độ thấp và nên được định tuyến xa khỏi các cặp vi sai tốc độ cao đến từ phía bên trái của cổng kết nối. Đổ đồng được sử dụng để cân bằng trên bo mạch này, nhưng đây không phải là yêu cầu cần thiết cho mô-đun truyền dẫn hoạt động đúng cách.

Tiếp theo, các tín hiệu tốc độ cao đi vào từ phía bên trái, và chúng được bao quanh bởi các chân GND và PWR. Các cặp vi sai đầu vào/đầu ra Rx và Tx trên L1 được đánh dấu bằng mũi tên màu vàng:

Những dòng này đi vào các lớp bên trong sử dụng vi sai, các vi này rơi xuống L6 trong một PCB 8 lớp. Vì hai điện mô bên ngoài mỏng (tổng độ dày 11 mil), độ dài chấm dứt đã được tối thiểu hóa trên chuyển đổi vi này và không cần khoan lùi. Các cặp vi sai đi qua một antipad được tối ưu hóa đặt ra trở kháng vi sai yêu cầu là 100 Ohm đến một băng thông khoảng 10 GHz.

Ở các tốc độ dữ liệu rất nhanh, nơi mà nhiều làn được tổng hợp vào một kết nối QSFP duy nhất, thân kết nối có thể trở nên rõ ràng như là yếu tố chính hạn chế tốc độ dữ liệu. Các nhà sản xuất kết nối đã nỗ lực để chứng nhận các thành phần của họ đối với các mục tiêu tốc độ dữ liệu, nhưng tất nhiên những mục tiêu tốc độ dữ liệu đó có thể không được đạt đầy đủ khi các đường trên PCB được định tuyến vào kết nối. Một chương trình mô phỏng đường truyền như ADS hoặc Simbeor sẽ cần thiết để hoàn toàn chứng nhận những kênh này khi kết nối với một kết nối QSFP.

Tính Toàn Vẹn Nguồn trong Kết Nối/Module SFP

Quan trọng là phải nhớ, các bộ thu phát quang đang gửi các xung nhanh vào một sợi quang, vì vậy chúng hoạt động giống như bất kỳ thành phần số tốc độ cao nào khác. Điều này có nghĩa là chúng ta phải lo lắng về tính toàn vẹn nguồn trên bus nguồn cho những kết nối này. Các hướng dẫn điển hình cho thiết kế PDN số tốc độ cao cũng áp dụng cho kết nối SFP.

Trong ví dụ trên, nguồn điện đầu vào được đưa qua một bộ lọc thông thấp dựa trên dữ liệu thử nghiệm từ đối tác của chúng tôi trong dự án trên. Hãy cẩn thận với cách tiếp cận này vì việc đặt bộ lọc pi trên chân nguồn cho một thành phần tốc độ cao có thể dẫn đến kích thích một dao động chuyển tiếp mạnh mẽ nếu bộ lọc không được giảm xóc một cách quan trọng. Vì vậy, trừ khi bạn có thể chứng minh bộ lọc hoạt động, hãy xem xét chỉ sử dụng nhiều tụ điện hơn để giảm tiếng ồn đường ray.

Khung Cắm Kết Nối SFP

Hình ảnh trên chỉ cho thấy một kết nối SFP được gắn trực tiếp vào PCB như một kết nối đơn giản. Mô-đun truyền dẫn quang sau đó sẽ kết nối với bảng mạch dọc theo cạnh của nó, và bộ truyền dẫn sẽ hiện ra qua vỏ. Điều này là ổn nếu vỏ có một phương pháp nào đó để cố định mô-đun vào vỏ sao cho mô-đun ổn định. Kết nối được hiển thị ở trên cũng có thể được di chuyển ra xa khỏi cạnh của bảng mạch sao cho giao diện sợi quang gần hơn với cạnh bảng mạch, như sẽ là trường hợp khi vỏ có kích thước chặt chẽ với cạnh bảng mạch.

Trong nhiều thiết bị mạng, bộ kết nối SFP thường không treo lơ lửng ở mép như vậy. Thay vào đó, mô-đun chuyển đổi quang sẽ kết nối với bộ kết nối SFP thông qua một lồng. Những lồng này là những lồng kim loại đơn giản được đặt xung quanh bộ kết nối SFP, và chúng có thể nhô ra một chút qua mép bảng mạch. Vỏ bọc sau đó được xây dựng xung quanh lồng bộ kết nối SFP để mô-đun chuyển đổi có thể được truy cập thông qua lỗ mở trong vỏ bọc. Lồng bộ kết nối SFP không bắt buộc, nhưng đối với các hệ thống sẽ tận dụng khả năng thay thế nóng, việc bao gồm một lồng được khuyến nghị. Lồng cung cấp sự ổn định cơ khí mà những bộ chuyển đổi này cần và nó hướng dẫn mô-đun chuyển đổi vào phích cắm.

Hình dưới đây cho thấy một ví dụ về lồng bộ kết nối SFP (Molex 74737-0009). Những lồng này là các bộ kết nối được gắn qua lỗ (press fit) nằm gần mép của PCB.

Những chiếc lồng này chỉ là những vỏ kim loại đặt trên PCB, chúng không có bộ kết nối SFP được tích hợp sẵn. Thay vào đó, bộ kết nối SFP có sẵn dưới dạng một số phần riêng biệt. Những bộ phận này có thể thay thế được giữa các nhà cung cấp. Bởi vì cả lồng SFP và bộ kết nối SFP đều được chuẩn hóa, bộ kết nối SFP thực sự nằm bên trong lồng ở mép sau. Điều này sau đó tạo ra không gian cho bộ thu phát trượt qua phía trước và kết nối với bộ kết nối SFP.

Điều này trông như thế nào trong bố cục PCB? Ví dụ dưới đây cho thấy cách hai thành phần được đặt. Trong bố cục PCB, lồng được đặt trước; một bản in chân tốt sẽ có một đường kẻ đánh dấu mép bảng trong lớp thân 3D hoặc trong lớp Lắp ráp. Trong ví dụ dưới đây, tôi đã xếp lồng theo mép bảng. Bộ kết nối SFP sau đó được đặt bên trong lồng ở mép sau.

Bộ kết nối phải được đặt một cách chính xác bên trong lồng bảo vệ, nếu không bộ thu phát sẽ không vừa với phích cắm và lồng bảo vệ cần phải được tháo ra. Để đưa bộ kết nối vào lồng bảo vệ, bộ kết nối được đặt trước, và lồng bảo vệ sẽ được lắp đặt phía trên bộ kết nối. Lồng bảo vệ có một lỗ mở ở phía sau cho phép bộ kết nối gắn trên bo mạch ngồi bên trong lồng bảo vệ. Để đảm bảo bộ kết nối được đặt đúng vị trí so với các lỗ thông qua cho bộ kết nối, hãy đọc bản vẽ kỹ thuật của bộ kết nối; bản vẽ này sẽ chỉ ra cách căn chỉnh các pad và lỗ gắn cho bộ kết nối SFP.

Hình dưới đây cho thấy bộ kết nối SFP + lồng bảo vệ ở trên trong 3D; góc nhìn từ mép bo mạch vào bộ kết nối. Như bạn có thể thấy, lồng bảo vệ đang treo qua mép của bo mạch. Điều này nên minh họa lợi ích của mô hình STEP trong phần mềm thiết kế PCB của bạn; bạn có thể xác minh hướng, khoảng cách và sự can thiệp tiềm ẩn giữa các yếu tố này trong bố trí PCB.

Vấn đề Nhiệt với Bộ Kết Nối SFP

Việc đặt và bố trí tất nhiên là quan trọng để hiểu, nhưng khía cạnh quan trọng khác khi sử dụng bộ thu phát quang học với các kết nối SFP. Do lượng điện năng tiêu thụ trong những kết nối này, một trong những vấn đề lớn ở tốc độ dữ liệu cao hơn là điện năng tiêu thụ bởi một mô-đun bộ thu phát quang học. Với hơn một chục W được tiêu thụ trong quá trình hoạt động với các giao thức nhanh hơn dành cho việc truyền tải khoảng cách rất xa qua sợi quang, sẽ có rất nhiều nhiệt cần phải xử lý.

Thật không may, vì bộ thu phát cơ bản được treo trên PCB bởi kết nối SFP, sẽ không có bất kỳ tiếp xúc trực tiếp nào với PCB để tản nhiệt. Bạn có thể thực hiện một số bước để giúp tản nhiệt:

• Sử dụng mô-đun bộ thu phát có tản nhiệt tích hợp
• Tạo khuôn vỏ sao cho tiếp xúc nhiều hơn với thân của mô-đun
• Xem xét việc thêm một quạt phía sau mô-đun

Điều này đưa ra một lợi ích khác của lồng kết nối SFP: chúng có thể cung cấp chức năng tản nhiệt. Bởi vì những thành phần này chỉ là các kết nối kim loại dạng tấm, và chúng được kết nối trở lại với mặt phẳng trong một lớp nội bộ, chúng cung cấp một cơ chế để tản nhiều nhiệt ra khỏi bộ thu phát nóng. Nhiệt này sẽ được đổ vào mặt phẳng nội bộ và vỏ, và nó có thể loại bỏ nhu cầu cho các biện pháp làm mát mạnh mẽ hơn như quạt.

Khi bạn cần đặt và định tuyến các tín hiệu tốc độ cao vào một kết nối SFP trên PCB của mình, hãy sử dụng các công cụ CAD 2D và 3D trong Altium Designer®. Khi bạn hoàn thành thiết kế và muốn gửi các tệp cho nhà sản xuất, nền tảng Altium 365™ giúp việc hợp tác và chia sẻ dự án của bạn trở nên dễ dàng.

Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngay hôm nay.