I/O連接器高速數(shù)據(jù)速率下的EMI和熱性能問題

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/李寧遠）在過去的數(shù)十年間，數(shù)據(jù)傳輸速率在明顯增加，數(shù)據(jù)的輸入、輸出都依靠著I/O連接器的連接。插拔式I/O連接器是各類和數(shù)據(jù)相關(guān)的應(yīng)用里最常見的連接器，現(xiàn)在的插拔式I/O連接器正在從40G/100Gb/s以太網(wǎng)和無線EDR規(guī)范向800Gb及更高的版本發(fā)展，I/O端口緊緊跟隨著數(shù)據(jù)流飛速增長的腳步。

在插拔式I/O數(shù)據(jù)速率越來越高的背后，如何有效限制光纖收發(fā)器產(chǎn)生的EMI輻射和熱量的也越來越重要。

端口升級帶來的EMI和熱影響

為了滿足數(shù)據(jù)速率和帶寬的需求，有兩種很傳統(tǒng)的辦法來實現(xiàn)，一是使用現(xiàn)有的（Q）SFP連接器器來增加端口密度，二是使用更新的更高的數(shù)據(jù)速率（Q）SFP+光收發(fā)器，以降低端口密度和增加帶寬。

這兩種辦法在EMI和熱性能影響上都有很多欠缺。連接器的漏損、板級組件的類型以及其他屏蔽不當(dāng)?shù)倪B接器都會帶來嚴重的電磁干擾，這些干擾會降低或限制電路的有效性能，對數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罱K效果有很大影響。

熱性能同樣影響著最終的數(shù)據(jù)傳輸效果，大功率數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾娏ο囊恢倍荚谠黾?，連接器在熱性能設(shè)計上的欠缺會導(dǎo)致連接器組件因為功率水平較高而導(dǎo)致的高溫可直接影響元件的壽命。如果不對熱設(shè)計進行優(yōu)化，敏感元件往往會更快地出現(xiàn)故障甚至直接損壞。終端用戶肯定是希望在不增加熱輸出的情況下滿足預(yù)期的速度要求。

增強屏蔽改進EMI性能

現(xiàn)在的插拔式I/O連接器基本上都會為模塊提供機械限定以增強EMI性能，單端口以及單排堆疊式高密度多端口SFP屏蔽籠的小封裝熱插拔產(chǎn)品線業(yè)已經(jīng)很成熟，連接器主板上會包含電磁干擾屏蔽籠。但是隨著速率再提升，這種屏蔽仍然有著很大的提升空間。

添加EMI屏蔽層是各類連接器解決EMI的常見做法，屏蔽層由各種導(dǎo)電填充物組成。板級屏蔽是一種針對高速設(shè)備設(shè)計的專門限制EMI的解決辦法，類似于添加EMI屏蔽層，板級屏蔽通過沖壓的一件式和兩件式金屬殼體，在不影響系統(tǒng)傳輸速度的情況下，為板裝式壓力元件提供板間隔離，并最大限度減少串?dāng)_并降低EMI易感性。

板級屏蔽的設(shè)計和屏蔽層材料選擇決定了屏蔽性能，板級屏蔽層上會設(shè)計很多開孔，連接器廠商會盡可能設(shè)計小的開孔。在總開孔面積不變的情況下，每個孔的面積越小，屏蔽效果越好。材料的傳導(dǎo)性也會影響屏蔽效果，尤其是板級屏蔽層表面涂層所用的材料，因為高頻電流通過導(dǎo)體外表面流通。冷軋鋼CRS是常用的板級屏蔽材料，其屏蔽效果非常好。

也有很多廠商會選擇用鋁材料來做提供和CRS類似的屏蔽性能，嚴格來看屏蔽性能會稍有降低。這是為什么呢？原因就在于減少重量，改善導(dǎo)熱系數(shù)。

優(yōu)化熱管理提升連接器性能

用鋁材料來代替CRS最重要的原因就是改善導(dǎo)熱，鋁外殼提供的散熱性能比CRS散熱性能高出5倍。這大大提升了熱管理設(shè)計的靈活度，對于一整個數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)來說熱管理分配是一個很重要的環(huán)節(jié)，減少熱損耗讓整個系統(tǒng)設(shè)計多出了不少熱預(yù)算余量。

現(xiàn)在的I/O連接器都會帶有散熱功能，在連接系統(tǒng)上添加間隙墊或者散熱墊來提高熱傳導(dǎo)能力。對于普通的數(shù)據(jù)傳輸場合來說已經(jīng)足夠了，不過如果是大功率數(shù)據(jù)傳輸場合，則需要將散熱功能進一步增強。

散熱橋技術(shù)是大功率數(shù)據(jù)傳輸里I/O連接器很實用的技術(shù)，散熱橋預(yù)安裝在I/O籠子，依靠可靠的壓縮力，通過散熱疊片讓熱量從I/O光模塊傳遞到冷卻區(qū)。集成式機械彈簧取代了傳統(tǒng)的間隙墊或熱界面材料，既減少了組件數(shù)量也不會因為老化降低散熱性能。散熱橋I/O連接器的熱傳導(dǎo)能力比普通散熱的I/O連接器高出兩倍。

小結(jié)

I/O連接器在帶寬增加、優(yōu)化熱管理、降低EMI、增加輸入/輸出面板密度等性能之間的平衡中一步步向前發(fā)展，隨著數(shù)據(jù)速率的持續(xù)增加，這些挑戰(zhàn)仍然會存在。