CN101159559A - 一种背板及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种背板，包括至少四个槽位，每个槽位包括至少两个连接器，所述连接器包括两个互连通道，所述互连通道用于实现不同槽位信号互连；所述连接器中的两个互连通道沿与槽位平行方向上下分布，连接器中一组信号的接收差分针脚与发送差分针脚通过两层信号层连接；且同一个槽位中两个相邻的连接器之间距离由每个通道包括的差分线对数及所述差分线对的间距确定。本发明实施例中，对于大于三个槽位的背板设备中，在互连通道数量和每通道端口数量相同的情况下，比现有技术方案减少所需信号层，进而降低背板的成本。同时减少信号层也会降低背板的厚度，带来更好的信号完整性。

Description

一种背板及实现方法

技术领域

本发明涉及网络通信技术领域，尤其涉及一种背板及实现方法。

背景技术

在大型复杂的电子设备中，常见的背板布线拓扑方案有星型、双星型和全网型三种。其中，星型拓扑方案如图1a所示，系统有一个交换网卡和多个接口卡，每个接口卡都通过背板连接到交换网卡上，形成一个星型结构。双星型拓扑方案如图1b所示，系统有两个交换网卡，互为冗余备份，系统中的每个接口卡都通过背板分别连接到两个交换网卡。全网型拓扑方案如图1c所示，没有交换网卡和接口卡的概念，每个插卡都有交换网卡和接口卡的功能，每个插卡都和系统中的其他插卡互连，形成一个网状结构。可以看到星型拓扑是双星型拓扑的一个子集，双星型拓扑是全网型拓扑的一个子集。全网型背板拓扑方案是最为复杂的，背板上的信号线数量也是最多的，布线难度也是最大的。由此研究“减少全网状拓扑背板布线层数的方法”是最有普遍意义的，覆盖了星型和双星型拓扑的背板。

以现在常用的一种5槽位全网状背板为例，说明现有技术方案的互连信号分配和背板布线策略。在背板上各插卡的互连信号一般包括高速数据通道信号和低速控制通道信号。高速数据通道一般采用高速SerDes(Serial andDeserial，串行和解串)信号，信号数量比较多，并且对信号质量的要求很高。低速控制通道信号数量比较少，对信号质量的要求不是很高。因此高速数据通道信号对背板信号层数起决定性的作用。在全网状背板上，任意两个插卡间都有一条互连的数据通道，该数据通道由多条SerDes信号组成，每条SerDes链路包括正、负两根发送差分信号和正、负两根接收差分信号，如图2所示。

在该背板上使用如图3所示的连接器，该连接器共有10列，每列有4对差分线，每对差分线旁都有一个地屏蔽壳，用来屏蔽其他差分线的串扰，在本背板上所有插卡都通过ZD连接器和背板连接。

为方便后续表述，将两个插卡的连接单元称作互连通道，一个通道由8对SerDes组成，每对SerDes又由接收、发送两对差分信号组成。参考图4a、图4b和图4c，分别描述了一对差分信号、一对SerDes、以及两个通道在ZD连接器上的针脚分布。在图4c中可以看到，ZD连接器上互连通道是左、右分布的。

参考图5，以5槽位插卡为例的背板上各通道互连示意图。图中ZD连接器内的虚线框区域连接一个互连通道。背板上每个槽位上有两个ZD连接器，每个ZD连接器有两个虚线框区域，从左到右编号为1、2、3、4。ZD连接器内非虚线框区域连接低速控制信号。图中双箭头连接线表示各槽位间的互连通道信号，为了方便描述编号为111～114、121～123、131～132、141。111连接槽位1和槽位2，112连接槽位1和槽位3，113连接槽位1和槽位4，114连接槽位1和槽位5，121连接槽位2和槽位3，122连接槽位2和槽位4，123连接槽位2和槽位5，131连接槽位3和槽位4，132连接槽位3和槽位5，112连接槽位1和槽位3，141连接槽位4和槽位5。

下面以132为例，说明各通道信号在背板上的布线路径。132从槽位3虚线框4出发，首先穿过槽位4虚线框4，然后连接槽位5虚线框3。132在走线路径上和141有重合的布线路径，因此互连通道信号132和141应该在不同的信号层布线。图6为132在印制电路板上的实际走线图。图中ZD连接器上的深色圆圈为地屏蔽针，空心圆圈为差分信号针。g行和h行信号针有4对差分信号，可以通过信号层1走线，同理e行和f行可以通过信号层2走线，c行和d行可以通过信号层3走线，a行和b行可以通过信号层4走线，4组信号线各需要占用一个信号层，因此132需要占用4个信号层布线。

同理可知，图5中其他互连通道信号也都需要4个信号层布线。图5中各双箭头实连接线代表的各互连通道占用相同的4个信号层，各双箭头虚连接线代表的各互连通道占用另外的4个信号层。从图7中可以看到，各互连通道布线不冲突，这样现有技术方案共需要8个信号层。

一般的电子设备，特别是大型复杂电子系统不可能将所有功能电路放到一块印制电路板上，通常是由许多块不同功能的印制电路板组成的。这些不同功能的电路板可以有多种方法互连，在大型电子设备中最常用的是通过背板互连。背板也是一种印制电路板，一般只是作为信号互连用，上面除了接插件较多外，几乎没有有源器件的存在。现有技术人员通常将插在背板上的电路板称为插板，背板和插板通过连接器互相连接，背板内的信号路径连接背板上的各连接器，因此，各插板通过背板把各信号连接起来。如图7所示为背板和各插板互连示意图，插板上的芯片通过背板和插板上的信号路径与其他插板连接。

在背板上各信号路径通过背板内各信号层的传导线实现，当背板上信号比较多时，背板需要多个信号层，每两个信号层间都有一个地平面层做隔离，防止各信号层的信号线互相串扰，影响信号质量。背板内所有的信号层、地平面层和电源平面层之间都有绝缘材料做填充，用来隔离各层，防止信号短路。因此增加信号层，也必须要增加相对应的地平面和绝缘材料，这些对背板的厚度都有比较大的影响。因此，信号层数过多会增加背板的厚度，带来系统尺寸的增大，且信号层数越多，加工越难，价格越贵。

再有，越厚的背板对于板内传输信号的完整性影响越大。背板内的信号线是连接两个连接器的，一般连接器都是压接到背板上。背板需要钻孔和对孔进行镀铜处理，形成过孔，然后连接器上的信号针就可以压接到背板上的过孔里。连接器上的信号针通过过孔和内部信号层的信号线连接。由于过孔贯穿整个背板的厚度，而信号线只是在某一个信号层中，因此会形成过孔桩。如图8所示背板上一个信号的传输路径，虚线路径是信号实际传输的路径，过孔桩是在过孔上信号线到过孔下沿的高度。过孔桩可以被看作一个对地的几皮法电容，并且过孔桩的高度越大等效的电容越大，由此过孔桩会造成高速信号的衰减；同时，过孔桩会使信号传输路径阻抗不连续，带来信号的反射，因此过孔桩对信号质量的影响比较大。显而易见，信号层数越多的背板就越厚，过孔桩就会越长，信号完整性就越难保证。

为了克服上述由于背板层数增加带来的不利影响，现有技术中提出了几种降低背板层数的方法，例如，使用更细的信号线布线或在布线时使各信号线间距更近或将信号线换层等。

其中，使用更细的信号线布线，会增加相同布线面积下的布线数量，以减少信号层的数量。但是信号线变细会增加背板加工时由于加工不良引起的信号线开路的风险，同时细的信号线会增加信号线的阻抗，带来信号更大的损耗。对于高速信号来说，由于趋肤效应，信号电流基本上都分布在信号线的表面，越细的信号线，其表面就越小，能够通过的高频电流就越小，因此过细的信号线严重影响高速信号的通行能力。

在布线时使各信号线距离更近，同样会增加相同布线面积下的布线数量，以减少信号层的数量。但是信号线太近，会带来邻近信号的串扰问题，尤其对于高速、大电流信号由于串扰问题可能使信号质量严重恶化。

信号线换层可以使线过密的信号层的布线转移到其他线较稀疏的信号层，这样可以减少整个背板布线层的数量。信号线换层，必然通过过孔，而信号路径上增加过孔会带来上面说的过孔桩效应，同时由于各信号层的阻抗不可能完全相同，换层会带来额外的阻抗不连续，使信号发生反射，损坏信号完整性。

现有技术的电子设备中，背板上的互连信号多为高速差分信号，对信号完整性的要求极端苛刻，因此上面所述的降低背板层数的方法已经不可行了，找到合理的降低背板层数的方法已经成为背板设计的关键。

发明内容

本发明提供了一种背板及实现方法，在互连通道数量和每通道SerDes数量相同的情况下，减少了信号层。

本发明提供了一种背板，包括至少四个槽位，每个槽位包括至少两个连接器，所述连接器包括两个互连通道，所述互连通道用于实现不同槽位信号互连；

所述连接器中的两个互连通道沿与槽位平行方向上下分布，连接器中一组信号的接收差分针脚与发送差分针脚通过两层信号层连接；且同一个槽位中两个相邻的连接器之间距离由每个通道包括的差分线对数及所述差分线对的间距确定。

所述同一个槽位中两个相邻的连接器之间距离大于每个通道包括的差分线对数与所述差分线对的间距的乘积。

所述背板不同槽位中对应的连接器成列排布，相隔至少一个槽位的两个槽位中处于不同列的连接器之间的连接信号线通过至少一个其他槽位中相邻两连接器之间的间隔。

所述互连通道由8对串行、解串信号组成。

所述背板包括5个槽位，所述每个槽位中包括两个连接器，所述信号层数为6层。

本发明还提供了一种背板实现方法，应用于包括至少四个槽位的系统中，每个槽位包括至少两个连接器，所述连接器包括两个互连通道，所述互连通道用于实现不同槽位信号互连；所述方法包括以下步骤：

设置连接器中的两个互连通道沿与槽位平行方向上下分布；

使连接器中一组信号的接收差分针脚与发送差分针脚通过两层信号层连接；且同一个槽位中两个相邻的连接器之间距离由每个通道包括的差分线对数及所述差分线对的间距确定。

所述同一个槽位中两个相邻的连接器之间距离大于每个通道包括的差分线对数与所述差分线对的间距的乘积。

所述背板不同槽位中对应的连接器成列排布，相隔至少一个槽位的两个槽位中处于不同列的连接器之间的连接信号线通过至少一个其他槽位中相邻两连接器之间的间隔。

所述互连通道由8对串行、解串信号组成。

所述背板包括5个槽位，所述每个槽位中包括两个连接器，所述信号层数为6层。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明实施例中，对于大于三个槽位的背板设备中，在互连通道数量和每通道端口数量相同的情况下，比现有技术方案少至少两个信号层，进而降低背板的成本。同时减少信号层也会降低背板的厚度，带来更好的信号完整性。

附图说明

图1a是现有技术中星型背板拓扑示意图；

图1b是现有技术中双星型背板拓扑示意图；

图1c是现有技术中全网型背板拓扑示意图；

图2是现有技术中一种两个插卡通过全网状背板互连示意图；

图3是现有技术中一种连接器示意图；

图4a是现有技术中一对差分信号在连接器上针脚分布示意图；

图4b是现有技术中一对SerDes信号在连接器上针脚分布示意图；

图4c是现有技术中两个互连通道在连接器上针脚分布示意图；

图5是现有技术中以5槽位插卡为例的背板上各通道互连示意图；

图6是图5中132在印制电路板上的实际布线示意图；

图7是现有技术中背板和各插板互连示意图；

图8是现有技术中背板上信号传输路径示意图；

图9a描绘了本发明中一对差分信号在ZD连接器上的针脚分布示意图；

图9b描绘了本发明中一对SerDes在ZD连接器上的针脚分布示意图；

图9c描绘了本发明中两个通道在ZD连接器上的针脚分布示意图；

图10是本发明背板上各通道互连框图；

图11是本发明图10中213在印制电路板上的实际走线图；

图12是本发明图10中213在250处的印制电路板布线示意图；

图13至图16是本发明中以5槽位为例另一种布线实现示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述：

本发明以5槽位全网状背板为例，说明背板互连信号分配和布线策略，本发明应用于具有至少4个槽位的背板，由于小于等于3个槽位时，无论如何优化信号线布局，都至少需要4个信号层；而当槽位超过3个时，采用本发明方案将比现有技术节省信号层。本发明与背板连接器种类和型号没有直接关系，但每个连接器上需要有两个实现不同插卡高速信号连接的互连通道。一个互连通道由8对SerDes组成，每对SerDes又由接收、发送两对差分信号组成。图9a描绘了本发明技术方案中一对差分信号在连接器上的针脚分布，图9b描绘了本发明技术方案中一对SerDes在连接器上的针脚分布，图9c描绘了本发明技术方案中两个通道在连接器上的针脚分布，连接器中的两个互连通道沿与槽位平行方向上下分布，使连接器中一组信号的接收差分针脚与发送差分针脚通过两层信号层连接。

图10所示为本发明背板上各通道互连框图。图中ZD连接器内的虚线框区域连接一个互连通道。背板上每个槽位上有两个ZD连接器，每个ZD连接器有两个虚线框区域，编号为1、2、3、4。ZD连接器内非虚线框区域连接低速控制信号。图10中双箭头连接线表示各槽位间的互连通道信号，为了方便描述编号为211～214、221～223、231～232、241。211连接槽位1和槽位2，212连接槽位1和槽位3，213连接槽位1和槽位4，214连接槽位1和槽位5，221连接槽位2和槽位3，222连接槽位2和槽位4，223连接槽位2和槽位5，231连接槽位3和槽位4，232连接槽位3和槽位5，241连接槽位4和槽位5。图10中250表示同一槽位上两ZD连接器之间的空间。

现以213说明各通道信号在背板上的布线路径。213从槽位1虚线框3出发，首先穿过槽位2两ZD连接器间的空间250，然后穿过槽位3上的虚线框1、2，最后连接到槽位4的虚线框1。213在走线路径上和214、212、221、222有重合的布线路径，因此互连通道信号213和214、212、221、222应该在不同的信号层布线。

图11为213在印制电路板上的实际走线图。图中ZD连接器上的实心圆圈为地屏蔽针，空心圆圈为差分信号针。g行和h行信号针有8对差分信号，可以通过一个信号层走线，同理e行和f行信号针上也有8对差分信号，也需要一个信号层走线，因此一个互连通道需要占用2个信号层。

同理可知，图10中其他互连通道信号也都需要2个信号层布线。图10中各双箭头实连接线代表的各互连通道占用相同的2个信号层，各双箭头虚连接线代表的各互连通道占用相同的2个信号层，各双箭头点划连接线代表的各互连通道占用相同的2个信号层。从图10中可以看到，各互连通道布线不冲突，这样本发明方案共需要6个信号层。

本发明方案举例的5槽位背板所有数据信号都采用差分信号。图12为图10中21 3在250处的印制电路板布线示意图。301～308代表8对信号差分线。以301为例，301_A和301_B代表正、负极性的两条差分信号线，信号线在印制电路板上以铜线材料存在。差分信号的线宽为W，差分线对内的距离为D₁，差分线对间的距离为D₂，一个差分对在背板上需要D₃的布线宽度，由此301～308一共需要8倍D₃的宽度，因此250代表的同一槽位上两个ZD连接器的距离至少要等于8倍D₃的宽度。背板如果选用FR4(一种印制电路板材料)材料制作，图12中W可以选择8mil，D1为10mil，D2为35mil，这样D3为61mil，可以计算图12中250的宽度为488mil，大约是12mm。

本发明虽然以5槽位背板为例进行说明，但实际应用中并不限于此，对于3槽以上的背板都可以适用，且当槽数越多(例如1 8槽)时，节省的信号层数越多。本发明中背板的布线方法有很多，上述提供的是其中一种布线的方案。本发明只要保证“信号在连接器上、下分配”和“连接器间留出一个通道的距离”，就可以完成这个背板布线。

下面仍然以5槽位背板为例，对另一种布线方式进行说明，如图13所示，槽位1-槽位2、槽位1-槽位3、槽位2-槽位3间的互连通道。如图14所示，槽位1-槽位4间的互连通道，其中连接线出线的特点为：从连接器出线后马上左转，从连接器中间通道穿过后再马上左转，然后连接到槽位4上的连接器。如图1 5所示，槽位1-槽位5间的互连通道，其中连接线出线的特点为：从连接器出线后马上左转，从连接器中间通道穿过后到达槽位2和槽位3间的位置，可以马上左转，但是连接线和槽位2和槽位3间的互连线同层有冲突，所以这个连接线左转不了继续向下走到槽位3和槽位4间的通道左转，然后连接到槽位4上的连接器。如图16所示，布线策略都是从连接器下来后马上先左转，向下过一个连接器后再左转，如果和其他信号有干涉的话，就再向下走一个连接器再左转，最后连接到连接器上。

本发明还提供了一种背板实现方法，应用于包括至少四个槽位的系统中，每个槽位包括至少两个连接器，所述连接器包括两个互连通道，所述互连通道用于实现不同槽位信号互连；所述方法包括以下步骤：

步骤s101，设置连接器中的两个互连通道沿与槽位平行方向上下分布。

步骤s102，使连接器中一组信号的接收差分针脚与发送差分针脚通过两层信号层连接；且同一个槽位中两个相邻的连接器之间距离由每个通道包括的差分线对数及所述差分线对的间距确定。其中，同一个槽位中两个相邻的连接器之间距离大于每个通道包括的差分线对数与所述差分线对的间距的乘积。不同槽位中处于不同列的连接器之间的连接信号线部分通过其他槽位中的连接器，部分通过连接器之间的间隔。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例的方法。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种背板，包括至少四个槽位，每个槽位包括至少两个连接器，所述连接器包括两个互连通道，所述互连通道用于实现不同槽位信号互连；其特征在于，

所述连接器中的两个互连通道沿与槽位平行方向上下分布，连接器中一组信号的接收差分针脚与发送差分针脚通过两层信号层连接；且同一个槽位中两个相邻的连接器之间距离由每个通道包括的差分线对数及所述差分线对的间距确定。

2.如权利要求1所述背板，其特征在于，所述同一个槽位中两个相邻的连接器之间距离大于每个通道包括的差分线对数与所述差分线对的间距的乘积。

3.如权利要求1所述背板，其特征在于，所述背板不同槽位中对应的连接器成列排布，相隔至少一个槽位的两个槽位中处于不同列的连接器之间的连接信号线通过至少一个其他槽位中相邻两连接器之间的间隔。

4.如权利要求1所述背板，其特征在于，所述互连通道由8对串行、解串信号组成。

5.如权利要求1所述背板，其特征在于，所述背板包括5个槽位，所述每个槽位中包括两个连接器，所述信号层数为6层。

6.一种背板实现方法，应用于包括至少四个槽位的系统中，每个槽位包括至少两个连接器，所述连接器包括两个互连通道，所述互连通道用于实现不同槽位信号互连；其特征在于，所述方法包括以下步骤：

设置连接器中的两个互连通道沿与槽位平行方向上下分布；

使连接器中一组信号的接收差分针脚与发送差分针脚通过两层信号层连接；且同一个槽位中两个相邻的连接器之间距离由每个通道包括的差分线对数及所述差分线对的间距确定。

7.如权利要求6所述背板实现方法，其特征在于，所述同一个槽位中两个相邻的连接器之间距离大于每个通道包括的差分线对数与所述差分线对的间距的乘积。

8.如权利要求6所述背板实现方法，其特征在于，所述背板不同槽位中对应的连接器成列排布，相隔至少一个槽位的两个槽位中处于不同列的连接器之间的连接信号线通过至少一个其他槽位中相邻两连接器之间的间隔。

9.如权利要求6所述背板实现方法，其特征在于，所述互连通道由8对串行、解串信号组成。

10.如权利要求6所述背板实现方法，其特征在于，所述背板包括5个槽位，所述每个槽位中包括两个连接器，所述信号层数为6层。

Images