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1微型连接器信号完整性的改善设计李华

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微型连接器信号完整性的改善设计

李华

(上海交通大学机械与动力工程学院,200030)

摘要信号完整性是电子产品非常重要的参考指标,传递电子信号的电子连接器产品也需要满足不同系统的信号完整性问题.本文就卡缘连接器在外设组件互连标准2.0(PCI-E2.0)系统中的信号完整性问题进行展开研究.首先确认PCI-E2.0系统对产品的规格要求,再对现有产品进行仿真分析,找出较差的性能参数并进行展开分析,总结出改善的方向,然后结合卡缘连接器的结构特点进行改善.最后的新设计实现了改善目标.

关键词信号TheSignalIntegrateImprovedDesignofCardedgeConnector

LiHua

(SchoolofMechanicalEngineering,ShanghaiJiaoTongUniversity,200030)

Abstract:Signalintegrateisaveryimportanttargettoelectricalproducts,electricalconnectorsthatsendelectricalsignalsalsoneedtomeetsignalintegrateproblemsfordifferentsystems.Thecardedgeconnector'ssignalintegratesissueforPCI-E2.0systemisstudiedinthispaper.First,confirmthePCI-E2.0specificationrequiredtoconnector.Thendothesimulationforcurrentconnector,findoutthenotgooditems.Afteranalysis,weetochangedirection.Then,dotheimprovementaccordingtotheparticularstructureofcardedgeconnector.Finally,thenewdesigncanmeettherequirements.

Keywords:Signalintegrate,Cardedgeconnector,PCI-E2.0

引言

随(PCB)和硅片将表现出与低速设计截然不同的行为,即出现信号完整性问题.

信号完整性问题能导致或者直接带来信号失真,定时错误,不正确数据,地址和控制线以及系统误工作甚至系统崩溃,解决不好会严重影响产品性能并带来不可估量的损失[2].目前,信号完整性问题已成为高速产品设计中非常值得注意的问题.

卡缘连接器产品主要是传递子印刷板(模组卡)与主印刷板间的信号.此前,卡缘连接器一般是以机械产品设计的思路来进行设计与生产,而电气规格一般较少被提及,主要是因为连接器目前使用的电子局部系统的频率和速度并不高,很少出现电气问题.随着电子系统的发展,越来越多的电子系统厂商要求连接器能满足更高频率系统的要求,解决信号完整性问题,不致使信号在传递的过程中失真[3].

1信号完整性简介

信号完整性是指信号未受到损伤的一种状态,它表示信号质量和信号传输后仍保持正确的功能特性.信号完整性问题研究的是电路设计中互连线引起的所有问题,它主要研究互连线的电气特性参数与数字信号的电压电流波形相互作用后,如何影响到产品性能的问题.主要表现在对时序的影响,信号振铃,信号反射,近端串音,远端串音,开关噪声,非单调性,地弹,电源反弹,衰减,容性负载,电磁辐射,电磁干扰等[4].

对于连接器所面临的信号完整性受电子系统设计的影响,不同的系统,会有不同的规格要求.一般需要卡缘连接器满足的关键信号完整性参数有:

1)插入损耗,是指在传输系统的某处由于元件或器件的插入而发生的负载功率的损耗,它表示为该元件或器件插入前负载上所接收到的功率与插入后同一负载上所接收到的功率以分贝为单位的比值.

2)回波损耗,是电缆链路由于阻抗不匹配所产生的反射,是一对线自身的反射.

3)近端串音,电缆链路中一对线与另一对线之间的因信号耦合效应而产生的串扰.

2PCI-E2.0的信号完整性

对于笔记本内部的卡缘连接器产品随着电子产品的发展信号传送的速率和频率越来越高很多客户开始要求卡缘连接器产品满足PCI-E2.07.5GHz,系统阻抗为85Ω.其它关键的信号完整性参数插入损耗回波损耗和端串音规格要求如表1表1PCI-E2.0规格要求

插入损耗:≧-0.5dB,f≦2.5GHz≧-[0.8*(f-2.5)+0.5]dB,2.5<,f≦5GHz≧-[3*(f-5)+2.5]dB,5<,f≦7.5GHz,回波损耗:≦-15dB,f≦3GHz≦-5dB,3<,f≦5GHz≦-1dB,5<,f≦7.5GHz,近端串音:≦-32dB,f≦2.5GHz≦-26dB,2.5≦f≦5GHz≦-20dB,5≦f≦7.5GHz,在明确客户需求的PCI-E2.0的信号完整性规格之后,需要对厂内现有的卡缘连接器产品进行仿真确认,再依据模拟结果来优化设计.

现有产品的信号完整性

在信号的频率和速度提高的同时,电子零件传输信号时,一般是采用较为先进的差分传输.差分传输是在这两根线上都传输信号,这两个信号的振幅相等,相位相反.如图1所示.

图1差分信号图示

卡缘连接器也是要采用差分排部的方式来传输信号.为确认现有的产品是否满足客户要求的PCI-E2.0规格需求,对卡缘连接器产品进行仿真分析.图2为现有产品的分析模型,其中塑料的介电常数(εr)为3.6,端子的导电率为13%.

图2卡缘连接器分析模型

高频分析一般是采用Ansoft/Q3D软件.仿真结果显示,现有产品的插入损耗能满足PCI-E2.0的规格要求,外排端子优于内排,离规格线较远.近端串音虽然离规格线较近,但尚能满足PCI-E2.0的规格要求,同样是外排端子优于内排端子.但是现有产品的回波损耗比较差,特别是内排端子,超过规格线较多,如图3所示.

图3模拟分析结果

确认产品的阻抗,发现产品阻抗偏小严重,内排端子为58.9Ω,外排端子为68.8Ω,与系统

图4阻抗模拟结果

综上,模拟结果表明,产品的阻抗偏小较多,回波损耗也不能满足PCI-E2.0的规格,需要对此两项高频问题进行分析展开,找出可供改善的因子进行优化改善.在设计改善过程中,优先在对产品的制造和生产冲击不大的情况下,进行最大化改善,若仍不能满足需求,才会考虑对产品结构进行诸

4问题分析

4.1阻抗偏低分析

阻抗是单位电流通过导体产生的电压降,由电阻部分(实部)和反应部分(虚部)组成.

(1)

(2)

(3)

其中:

Z—阻抗

R—导体电阻

XL—感抗

XC—容抗

ω—角速度

L—电感

C—电容

当通路上流经高频信号时,所呈现出来的阻抗为:

(4)

G—导间电导

对于微型连接器,端子的电阻和端子间的电导很小,在高频信号流经时,可按理想传输线来分析,即R等于0,G等于0,理想状况下的阻抗为特征阻抗Z0:

(5)

电感的计算公式比较复杂,且卡缘连接器的信号是由接触卡的端子头部到焊接PCB的尾部,信号的传输距离由结构决定,电感可供调节的空间不大.

对于电容,计算公式较为简单:

(6)

其中:

εr—绝缘质电数

A导间对积

h两导间间

决定电容大小的三个参数,导体间的距离h由卡缘连接器的模组卡决定,一般不能改变,其他的两个参数均可以调节.介电常数εr由两导体间绝缘体决定.塑料的介电常数为3.6,而空气的介电常数是1.从上面的公式(5)和(6)可知,若想提高阻抗,可降低介电常数,而空气的介电常数低于塑料,可以减少端子周围的塑料,采用空气做介质.

决定电容的另一个参数----导体的正对面积A,由端子结构决定.正对面积越小,电容越小,阻抗越大.所以还可以通过A来改善阻抗.

4.2回波损耗分析

信号沿传输线向前传播时,每时每刻都会感受到一个瞬态阻抗,这个阻抗可能是传输线本身的,也可能是中途或末端其他元件的.对于信号来说,它不会区分到底是什么,信号所感受到的只有阻抗.如果信号感受到的阻抗是恒定的