浅谈连接器的高速串联信号

　　随着数据传输率的提高，信号频宽不断增加，信号上升沿时间继续减小；频宽越宽，上升沿时间越短则信号完整性问题越突出，我们看看连接器面临怎么样的高速串联信号的应用挑战；由于网络的高速发展，当下数据中心流量激增，超大规模数据中心数量也在不断增加，对数据中心高速信息传输和灵活连接带来严峻挑战，随着数据量的激增以及超大数据中心的发展，数据中心的服务器、交换机、存储系统的性能也需要不断提升；数据中心的服务器技术需要满足不断提升的性能要求，其中信号速率是关键，服务器的外部I/O接口正从10G和25G扩展到56G；存储系统中，各种协议正在进行融合；随着业内速度从25G（NRZ）增加到112G（PAM-4），交换机的芯片尺寸也在不断增大，因此需要相应的插座与之匹配，同时超大规模数据中心的需求推动了400G/800G的上行链路，（可插拔I/O连接器迈向800Gb以太网），为了适应数据传输不断提速的需求，每个高速串联协议，如PCIe， SATA， SAS， Ethemet， USB，和Infiniband都采用每更新一代传输率增加一倍的技术路线；如果你去年应对40Gb/s， 那你明年就要准备好去挑战80Gb/s；目前较大规模交换机需高性能连接并降低损耗，而正交和接线背板能够满足这一需求，使用内部电缆直接连接到I/O的前面板，也是目前正在采用的另一种增强性能的架构；现阶段市场预估在每两年数据传输量率就要翻一翻， 这不见得体现在网络的传输主线也反映在芯片的吞吐量。

 

 

　　理想的高速传输通道很难设计的原因之一是电磁波信号与导体和绝缘介质的互动的这一根本属性（高频参数基础篇08-绝缘介电系数）换句话说，是由于麦克斯韦方程所致，随着数据传输率的提高，信号频宽不断增加，信号上升沿时间继续减小；信号完整性问题越突出，特别是对于连接器这种结构的元件来说；连接器的结构注定无法实现传输通道的连续性，幸运的是，连接器不长，故电磁波在连接器体内转化为热量的损耗不大，但是连接器引起的另外3大基本问题却可能甚为严重，这些问题是由于不阻抗连续引起的回波损耗，来自别的通道的串扰和由于非对称性产生的共模转换，（如何控制线材的差分转共模参数详解），我们用一个重要的参数来描述由于阻抗不连续引起多少信号被反射，这个参数被称为反射系数或回波损耗，这是反射信号与入射信号的比例，常用dB表示，下图是回波损耗及其他常见的连接器高速信号指标的示例（高频参数基础篇06-回路损失（Return Loss）

 

 

　　如图可见，频率增加回波损耗增大，那多大的回波损耗可接受呢？当回波损耗大于大约-13dB时，反射信号开始影响被传输的信号，这是用于定义连接器频宽的常用规格，设计制造较高频率的连接器，不仅仅要考虑连接器还要考虑与连接器连接的PCB导线及焊接连接器的焊盘；你不仅要优化连接器的结构还要考虑包括整个与连接器连接的引线部分，串扰（高频参数基础篇03-串音参数）是关于使差分对的信号远离另一差分对的电磁场，不幸的是，连接的高密度化趋势是串扰的问题更为严重，方案之一是在信号pin的两侧增加地线的回路pin或地线板；近端串扰系数和远端串扰系数是描述通道间串扰的指标，在高速串联应用领域里最后一个要尽量避免的现象是共模转换;当我们在高频通道传输差分信号时，若差分信号对存在任何不对称（现实中不可能完全对称）的因素，这种不对称的部分会转换成共模信号，结果是部分差分信号损失，损失的能量部分被辐射部分在信号通道游荡成为接收端的杂音，最常见的共模非对称性是差分对间的时延差（传播延迟差（SKEW））例如，在28Gb/s的频道，单位间隔是36PS;对整个通道来说，差分对间的时延差不应超过单位间隔的15%，即不应超过5皮秒---这大致相当于0.75mm的长度，但能分配给连接器的只有很小一部分，信号完整性仅仅是连接器设计要考虑的一方面，还有长期稳定性的要求，工艺性的要求，插拔力的要求，载流能力（承受电流大小）的要求，空间密度的要求，焊接炉温的要求，甚至PCB焊盘的要求，电连接器的耐温设计，常用连接器插拔力标准，摩尔定律的存在使连接器高频方面的设计像打地鼠一样，没法做到一劳永逸，一个连接器的指标改善好，可能另一个指标的问题更严重！

 

 

　　鉴于高速连接器产业目前的状况及发展趋势，高速连接器的厂家不得不寻求优越的信号完整性的工程技术力量或成立自己的高速信号团队。在高端连接器产品设计领域，厂商要结合客户的pcb来优化高速连接器的性能;为了提升竞争力，有不少连接器厂家大力强化信号完整性的工程力量来协助客户解决高速传输的问题；当数据传输率高于5Gb/s， 连接变得并不简单，要实现可接受的传输性能，在设计的开始要对信号完整性问题给予充分的重视；未来的连接器仿真技术应用将越来越广泛，市场需求将呈现爆发式的增长，目前深圳连接器协会有做部分相关仿真的实验分享，后续我们收到相关资讯再行分享！CAE仿真实训，私人订制，元王更懂你

　　最近我们的市场调查发现，在5G需求的驱动下，各国内连接器大厂产品研发一个重要方向就是高速互连的相关板端连接器，我们看到一些趋势和变化，越来越多的OEM厂商，高速连接器部分都开始自行研发，虽然当前我国连接器市场还处于中端设备实现突破、初步产业链成套布局的阶段，高端制程/产品仍需攻克，但现在相关供应链都开始尽量避免选择美国厂商的连接器，而不是期望过往的外资提供，虽然短期有难度，但是在大量资本的推动下，我们有理由相信未来高速连接器的挑战将迎来希望。