在結(jié)構(gòu)密集、體積緊湊的系統(tǒng)中采用屏蔽連接器實(shí)現(xiàn)可靠的高速連接

作者：Bill Schweber

投稿人：DigiKey 北美編輯

自電子產(chǎn)品問(wèn)世之初，電氣屏蔽就一直是工程師關(guān)注的問(wèn)題，需要在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中予以考慮。然而，隨著數(shù)據(jù)傳輸速率的提高、系統(tǒng)愈加小型化，并且信號(hào)線越來(lái)越多、集成度越來(lái)越高、距離越來(lái)越近，電氣屏蔽問(wèn)題愈發(fā)引人擔(dān)憂。這些趨勢(shì)使得原本簡(jiǎn)單的概念變得非常復(fù)雜，因?yàn)橐紤]的因素越來(lái)越多，主要體現(xiàn)在：防止外界無(wú)用信號(hào)到達(dá)并影響到承載信號(hào)的導(dǎo)體、防止有用信號(hào)的能量向外輻射，進(jìn)而影響到附近的導(dǎo)體和電路。

要想做到有效屏蔽，屏蔽層必須完全包圍住有源導(dǎo)體，形成包括端接連接器在內(nèi)的全路徑 360° 傳導(dǎo)屏障。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，許多設(shè)計(jì)人員認(rèn)為必須使用同軸電纜和連接器，因?yàn)檫@種內(nèi)置電纜屏蔽可在保持 360° 屏蔽完整性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)端接。然而，使用同軸電纜使得單位面積上的通道密度較低，因此這種方法不適合滿足許多板對(duì)板和板對(duì)背板互連應(yīng)用的高速、高密度電氣和物理要求。要解決這一問(wèn)題，需要選擇高速、全屏蔽的互連器件，以便在單個(gè)全屏蔽連接器外殼中支持高信號(hào)路徑數(shù)。

本文簡(jiǎn)要討論了屏蔽基礎(chǔ)知識(shí)，以及設(shè)計(jì)人員在實(shí)施高通道數(shù)互連及屏蔽（多個(gè)單通道同軸電纜會(huì)造成總體尺寸和體積過(guò)大）時(shí)所面臨的挑戰(zhàn)，并且說(shuō)明了全方位 360° 屏蔽尤為重要的原因，還列舉了 [Samtec]的多個(gè)屏蔽連接器系列產(chǎn)品來(lái)說(shuō)明在狹小空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高速信號(hào)完整性的最佳設(shè)計(jì)和實(shí)施做法。

首先介紹屏蔽的基礎(chǔ)知識(shí)

電纜及其互連器件（連接器）幾乎是所有系統(tǒng)的重要組成部件，可用于連接母板與夾層板，以及板與用戶面板、專用接口或輸入/輸出 (I/O) 裝置。為保持信號(hào)完整性，互連器件必須支持信號(hào)的帶寬，并且能抵御電磁干擾/射頻干擾 (EMI/RFI)。同時(shí)，也不能讓 EMI/RFI 輻射到相鄰的互連器件、電路板或元器件，尤其不能輻射到傳輸?shù)碗娖叫盘?hào)或敏感信號(hào)的互連器件、電路板或元器件。

屏蔽層可以減弱電磁干擾和射頻干擾的影響。根據(jù)放置位置和方式的不同，屏蔽層的主要作用是：衰減靠近其源的噪聲（有時(shí)稱噪聲為“侵?jǐn)_者”）；或阻止噪聲到達(dá)對(duì)噪聲敏感的電路（“受侵者”）（圖 1）。

圖 1：屏蔽層充當(dāng)侵?jǐn)_源與 EMI 和 RFI 的意外無(wú)辜受侵者之間的一道屏障。（圖片來(lái)源：Journal of Computer Science and Engineering，通過(guò) Arvix）

請(qǐng)注意，某一導(dǎo)體可能既是發(fā)射 EMI/RFI 能量簇的侵?jǐn)_者，又是另一侵?jǐn)_源能量的受侵者。此外，EMI/RFI 侵?jǐn)_者不一定是與產(chǎn)品無(wú)關(guān)的某個(gè)外界“第三方”侵?jǐn)_源，很可能就是同一個(gè)系統(tǒng)的另外一個(gè)零件，這個(gè)零件通過(guò)向鄰近導(dǎo)體或元器件輻射能量而無(wú)意中充當(dāng)了侵?jǐn)_者。

目前，圍繞著如何以及在什么位置對(duì)這些電纜和互連器件進(jìn)行接地屏蔽，以阻止或顯著衰減侵?jǐn)_者和受侵者之間的噪聲能量傳輸，有著許多準(zhǔn)則和所謂的“經(jīng)驗(yàn)法則”。遺憾的是，這些準(zhǔn)則不僅會(huì)經(jīng)常相互沖突，而且正確或最佳答案似乎往往有特定的前提條件。建議的準(zhǔn)則包括：

• 屏蔽層雙端端接（接地）。
• 屏蔽層僅一端接地（輸出端）。
• 屏蔽層僅一端接地（接收端）

直觀上看，這些準(zhǔn)則似乎不可能全是正確的，或者說(shuō)，也許都是正確的，但取決于特定的設(shè)計(jì)及衰減程度要求。綜合實(shí)驗(yàn)室測(cè)試表明，要想在千兆赫 (GHz) 級(jí)別的頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)有效屏蔽，屏蔽層兩端均需接地，換句話說(shuō)，屏蔽層必須連續(xù)且不間斷。

音頻和較低射頻方面的準(zhǔn)則相對(duì)靈活一些。不過(guò)，對(duì)于 1 兆赫茲 (MHz) 以下的應(yīng)用，屏蔽層采用單端接地是可以接受的，但對(duì)于 10 MHz 及以上的應(yīng)用，單端接地則不合適。

需要全屏蔽

詳細(xì)測(cè)試結(jié)果還表明，屏蔽層端接廣泛采用的短“引線”端接方式的效果往往不佳（圖 2）。即使“引線”只有幾毫米 (mm) 長(zhǎng)，但在頻率較高時(shí)，其低電感也會(huì)影響屏蔽性能，甚至可能會(huì)抵消屏蔽層的大部分作用。更糟糕的是，原本無(wú)害的引線接頭不僅會(huì)導(dǎo)致衰減能力無(wú)效，實(shí)際上可能適得其反，充當(dāng)電磁能輻射源（天線）輻射更多 EMI/RFI。

圖 2：這條 HDMI 電纜采用了貌似無(wú)害的引線式屏蔽層端接，不僅沒(méi)有效果，而且可能適得其反地成為電磁輻射源。（圖片來(lái)源：Dana Bergey and Nathan Altland，通過(guò) Interference Technology）

因此，屏蔽層端接需要改用 360° 全屏蔽方式，這種方式也是大多數(shù)高性能和 MIL 標(biāo)準(zhǔn)的要求（圖 3）。

圖 3：要想最大限度地提高屏蔽效果，需要采用 360° 全屏蔽端接方式（上圖），而不是采用快速簡(jiǎn)單的引線式端接（下圖）。（圖片來(lái)源：ResearchGate）

需要采用屏蔽層兩端接地以及無(wú)間隙 360° 全覆蓋接地方式是基于這樣的物理學(xué)原因：當(dāng)工作頻率提高到數(shù)百 MHz 到 GHz 這一區(qū)段時(shí)，相應(yīng)波長(zhǎng)就會(huì)變短，這意味著即使屏蔽層覆蓋范圍內(nèi)出現(xiàn)微小縫隙，也可能成為信號(hào)能量穿過(guò)的窗口，并且信號(hào)能量幾乎不會(huì)衰減。

隨著頻率的提高，當(dāng)今系統(tǒng)的封裝密度也越來(lái)越高。這樣就會(huì)使得侵?jǐn)_者與受侵者之間所有射頻傳播的路徑損耗降低很多，因?yàn)槁窂綋p耗隨距離的平方而增加。因此，即使是看似微不足道的無(wú)意侵?jǐn)_者信號(hào)量，也可能以相對(duì)較高的強(qiáng)度到達(dá)并影響到受侵者電路。

采用 360° 全屏蔽端接方式的屏蔽層（通常以單獨(dú)同軸電纜和連接器為代表）對(duì)于 EMI/RFI 防護(hù)無(wú)疑是有效的。然而，使用同軸電纜往往會(huì)影響許多系統(tǒng)對(duì)高物理密度的需求。

此外，許多高性能系統(tǒng)要求對(duì)多條并行信號(hào)線進(jìn)行屏蔽，比如以下兩個(gè)基本場(chǎng)景：

? 板對(duì)板互連，如母板和夾層板互連，多條線路周?chē)O(shè)一個(gè)屏蔽

? 單個(gè)電纜組件內(nèi)有多根屏蔽同軸電纜，設(shè)一個(gè)配接連接器

適用于板對(duì)板設(shè)計(jì)的單屏蔽層

多根信號(hào)線用一個(gè)屏蔽這一概念在原理上很簡(jiǎn)單。一個(gè)屏蔽層疊在扣箍上圍住多根信號(hào)線，與連接器外殼接觸（圖 4）。

圖 4：通過(guò)將屏蔽層圍在多條信號(hào)線周?chē)?，可將多條信號(hào)線作為一組進(jìn)行屏蔽。（圖片來(lái)源：Samtec）

與未屏蔽互連器件相比，這種方法解決了屏蔽問(wèn)題，并且只需多占用極小的電路板空間。重要的是，屏蔽后的多線路連接器不僅具有未屏蔽連接器相同的基本信號(hào)線性能，而且還能確?？煽恳恢碌膶?duì)接和拔出，而不會(huì)影響屏蔽效果。

舉例說(shuō)明，20 針位、板對(duì)板屏蔽連接器對(duì)就是其中一種多線路屏蔽互連器件，如 Samtec 的 [ERM8-010-9.0-L-DV-EGPS-K-TR] 插頭和 [ERF8-010-7.0-S-DV-EGPS-K-TR] 插座（圖 5）。這些堅(jiān)固耐用的高速連接器條專為高速（28 Gbits/s 的非歸零 (NRZ) 編碼以及 56 Gbits/s 的四級(jí)脈沖調(diào)幅 (PAM4)）、高周期應(yīng)用而設(shè)計(jì)。

圖 5：20 針位 ERM8 插頭（左）和相應(yīng)的 ERF8 插座（右）提供屏蔽的板對(duì)板連接。（圖片來(lái)源：Samtec）

這些連接器的觸點(diǎn)滑接最大可達(dá) 1.5 mm，具有堅(jiān)固耐用的閂鎖、鎖定和 360° 屏蔽功能，在拆拔過(guò)程中像“拉鏈”一樣拉出（用離軸的非正常力拉動(dòng)）時(shí)也非常穩(wěn)固。專為高速、高周期應(yīng)用設(shè)計(jì)的 Samtec 的 Edge Rate 觸點(diǎn)系統(tǒng)也可實(shí)現(xiàn)高速性能。通過(guò)減少寬邊耦合，該觸點(diǎn)系統(tǒng)針對(duì)信號(hào)完整性進(jìn)行了優(yōu)化，并且具有光滑的寬銑觸頭面，可減少磨損（圖 6）。

圖 6：為減少寬邊信號(hào)耦合，ERM8 和 ERF8 采用了專有的 Edge Rate 觸頭系統(tǒng)。（圖片來(lái)源：Samtec）

與在切邊上配接的沖壓觸頭不同的是，寬銑觸頭可形成光滑的配接面。這種光滑的配接面可減少觸點(diǎn)上的磨損痕跡，從而提高了觸頭系統(tǒng)的耐用性和周期壽命，并且降低了插拔力。

同樣需要同軸電纜

同軸電纜在信號(hào)傳輸中起著重要且不可替代的作用。但是，當(dāng)需要多個(gè)并行信號(hào)時(shí)，使用僅支持一條同軸電纜的互連器件可能會(huì)令人抓狂。針對(duì)這種情況，Samtec 提供了一系列支持 20、30、40 和 50 針位的多線路屏蔽同軸電纜連接器。其中，[LSHM-110-02.5-L-DV-A-S-K-TR] 是一款 20 針位、自配接、無(wú)極性表面貼裝連接器（圖 7）。

圖 7：LSHM-110-02.5-L-DV-A-S-K-TR 是一款 20 針位、自配接、無(wú)極性表面貼裝連接器（多達(dá) 50 個(gè)針位）。（圖片來(lái)源：Samtec）

LSHM 系列是一種高密度耐用型連接器，用于板對(duì)板以及板對(duì)電纜應(yīng)用，可選用于 EMI 保護(hù)的屏蔽層。憑借其 Razor Beam 細(xì)間距接觸系統(tǒng)，無(wú)極性設(shè)計(jì)節(jié)省了 X、Y 和 Z 軸上的印刷電路板（pc 板）面積。這種連接器的間距為 0.50 mm，配接時(shí)會(huì)發(fā)出咔嗒聲，對(duì)接和拆拔力約為普通微間距連接器的 4-6 倍。

這種板載連接器僅占互連解決方案的一半，因?yàn)檫€需要電纜組件（圖 8）。這種電纜組件同樣采用了 Razor Beam 技術(shù)，間距為 0.50 mm。

圖 8：Razor Beam 細(xì)間距自配接同軸電纜組件提供了完整的多線路板對(duì)電纜解決方案。（圖片來(lái)源：Samtec）

[HLCD-10-40.00-TD-TH-1]是一款與上述 20 針位、板安裝、屏蔽多線路同軸連接器相配套的電纜組件，該組件的電纜長(zhǎng)度為一米，兩端配有自配接、不分公母的無(wú)極性連接器（圖 9），所用電纜為 38 AWG 微型同軸電纜，阻抗 50 Ω，各觸點(diǎn)額定速率 14 Gbits/s。

圖 9：多線路 50 Ω 微型同軸電纜組件（如 20 針位 HLCD-10-40.00-TD-TH-1）兩端均配有自配接、不分公母的無(wú)極性連接器。（圖片來(lái)源：Samtec）

綜合應(yīng)用

為了使這些高速連接器的選擇和使用更加容易，Samtec 擴(kuò)展了制造商印刷電路板布局和連接器 SPICE 模型的概念，針對(duì)電路板最困難的設(shè)計(jì)問(wèn)題之一提供了參考設(shè)計(jì)：高速連接器周?chē)年P(guān)鍵“突破區(qū)域”(BOR)。Samtec 的信號(hào)完整性工程師已經(jīng)開(kāi)發(fā)出他們稱之為“最后一寸突破區(qū)域”的一個(gè)區(qū)域，并且針對(duì) Samtec 的多系列高速連接器提供了有關(guān)印刷電路板印制線走線的建議。

這些設(shè)計(jì)建議基于使用標(biāo)準(zhǔn)的電路板材料、多層以及低成本、高產(chǎn)出的制造工藝，無(wú)需特殊處理。這些建議可以節(jié)省設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證的時(shí)間和資源，并且可以在性能與可制造性和成本之間取得平衡。

結(jié)束語(yǔ)

對(duì)電纜、連接器和互連器件進(jìn)行全面電氣屏蔽對(duì)于板對(duì)板以及板對(duì)電纜應(yīng)用的信號(hào)完整性和性能至關(guān)重要。當(dāng)有多個(gè)并行信號(hào)必須進(jìn)行屏蔽以防止 EMI/RFI 輻射或易受這些輻射影響時(shí)，屏蔽問(wèn)題就更具挑戰(zhàn)性。如上所述，Samtec 提供了適用于多線路板對(duì)板、同軸電纜對(duì)板應(yīng)用的多個(gè)系列互連器件，可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和制造，同時(shí)保持高水平的機(jī)械和電氣完整性及性