I/O连接器高速数据速率下的EMI和热性能问题

电子发烧友网报道（文/李宁远）在过去的数十年间，数据传输速率在明显增加，数据的输入、输出都依靠着I/O连接器的连接。插拔式I/O连接器是各类和数据相关的应用里最常见的连接器，现在的插拔式I/O连接器正在从40G/100Gb/s以太网和无线EDR规范向800Gb及更高的版本发展，I/O端口紧紧跟随着数据流飞速增长的脚步。
 
在插拔式I/O数据速率越来越高的背后，如何有效限制光纤收发器产生的EMI辐射和热量的也越来越重要。
 
端口升级带来的EMI和热影响
 
为了满足数据速率和带宽的需求，有两种很传统的办法来实现，一是使用现有的（Q）SFP连接器器来增加端口密度，二是使用更新的更高的数据速率（Q）SFP+光收发器，以降低端口密度和增加带宽。
 
这两种办法在EMI和热性能影响上都有很多欠缺。连接器的漏损、板级组件的类型以及其他屏蔽不当的连接器都会带来严重的电磁干扰，这些干扰会降低或限制电路的有效性能，对数据传输的最终效果有很大影响。
 
热性能同样影响着最终的数据传输效果，大功率数据传输的电力消耗一直都在增加，连接器在热性能设计上的欠缺会导致连接器组件因为功率水平较高而导致的高温可直接影响元件的寿命。如果不对热设计进行优化，敏感元件往往会更快地出现故障甚至直接损坏。终端用户肯定是希望在不增加热输出的情况下满足预期的速度要求。
 
增强屏蔽改进EMI性能
 
现在的插拔式I/O连接器基本上都会为模块提供机械限定以增强EMI性能，单端口以及单排堆叠式高密度多端口SFP屏蔽笼的小封装热插拔产品线业已经很成熟，连接器主板上会包含电磁干扰屏蔽笼。但是随着速率再提升，这种屏蔽仍然有着很大的提升空间。
 
添加EMI屏蔽层是各类连接器解决EMI的常见做法，屏蔽层由各种导电填充物组成。板级屏蔽是一种针对高速设备设计的专门限制EMI的解决办法，类似于添加EMI屏蔽层，板级屏蔽通过冲压的一件式和两件式金属壳体，在不影响系统传输速度的情况下，为板装式压力元件提供板间隔离，并最大限度减少串扰并降低EMI易感性。
 
板级屏蔽的设计和屏蔽层材料选择决定了屏蔽性能，板级屏蔽层上会设计很多开孔，连接器厂商会尽可能设计小的开孔。在总开孔面积不变的情况下，每个孔的面积越小，屏蔽效果越好。材料的传导性也会影响屏蔽效果，尤其是板级屏蔽层表面涂层所用的材料，因为高频电流通过导体外表面流通。冷轧钢CRS是常用的板级屏蔽材料，其屏蔽效果非常好。
 
也有很多厂商会选择用铝材料来做提供和CRS类似的屏蔽性能，严格来看屏蔽性能会稍有降低。这是为什么呢？原因就在于减少重量，改善导热系数。
 
优化热管理提升连接器性能
 
用铝材料来代替CRS最重要的原因就是改善导热，铝外壳提供的散热性能比CRS散热性能高出5倍。这大大提升了热管理设计的灵活度，对于一整个数据传输系统来说热管理分配是一个很重要的环节，减少热损耗让整个系统设计多出了不少热预算余量。
 
现在的I/O连接器都会带有散热功能，在连接系统上添加间隙垫或者散热垫来提高热传导能力。对于普通的数据传输场合来说已经足够了，不过如果是大功率数据传输场合，则需要将散热功能进一步增强。
 
散热桥技术是大功率数据传输里I/O连接器很实用的技术，散热桥预安装在I/O笼子，依靠可靠的压缩力，通过散热叠片让热量从I/O光模块传递到冷却区。集成式机械弹簧取代了传统的间隙垫或热界面材料，既减少了组件数量也不会因为老化降低散热性能。散热桥I/O连接器的热传导能力比普通散热的I/O连接器高出两倍。
 
小结
 
I/O连接器在带宽增加、优化热管理、降低EMI、增加输入/输出面板密度等性能之间的平衡中一步步向前发展，随着数据速率的持续增加，这些挑战仍然会存在。