CN107925637B - 具有数字平面接口的通信节点 - Google Patents

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Abstract

提供了一种能用于一通信节点的方案。一外壳设置成支撑一第一电路基板，第一电路基板经由一连接装置连接于一第二电路基板。第一电路基板支撑一集成电路模块，而第二电路基板支撑一PHY模块。一变压器箱安装于第一电路基板上且支撑与一对接连接器接合的端子。一第三电路基板可设置成与第二电路基板平行且安装在变压器箱上，从而提供给端子的信号的端接可发生与第二电路基板不同的一电路基板上。第三电路基板也能设置以太网供电(POE)电路。

Description

具有数字平面接口的通信节点
相关申请
本申请主张享有于2016年8月25日提交的美国临时专利申请US62/209448的优先权，该美国临时专利申请通过援引其整体而并入本文。
技术领域
本发明涉及网络交换机领域，更具体而言涉及一种可以改善性能且降低成本的架构(architecture)。
背景技术
交换机和路由器以及其它通信设备(在本申请中它们应被统称为通信节点)通常用于不同的计算设备之间的通信。可采用各种形式的这些计算设备可位于一服务器上的一机架(rack)内或者可位于相同服务器室内、相同建筑物内或完全是其它地方内的分散位置处。无论这些计算设备在哪个位置，通信节点都包括允许线缆将通信节点连接于各种计算设备的多个端口。
图1示出一典型的通信节点10。通信节点10包括具有一面板15的一外壳(case)14，面板15具有多个端口18。多个端口可为各种不同的构型，诸如但不限制于QSFP插座、SFP插座、8P8C(俗称一RJ45，其为本文将使用的术语)或者其它期望的构型，且多个端口可以堆叠(stacked)、成组(ganged)或者为一单一(single)端口构型。如能够认识到的，虽然多个端口如图所示地处于一面板15上，但是如果需要，它们也可在外壳14的其它(甚至多个)面板上。
外壳14支撑一电路基板30(有时称为一主板)，电路基板30进而支撑集成电路(IC)模块35。IC模块35可包括行业熟知的各种处理和存储器件且所需的功能级别将取决于通信节点打算用于的目的和应用。电路基板30也支撑一PHY模块45。PHY模块45设置成将一链路层设备(其可以称为一介质访问控制或者MAC)连接于一物理介质(诸如一铜线缆或者光纤)。因此，PHY模块45获得来自IC模块35的数字信号且将这些信号转换为能通过线缆和光纤传送的模拟信号。PHY模块45也接收模拟信号且将这些信号转换为能提供给IC模块35的数字信号。如能够认识到的，PHY模块45可包括多个功能电路，所述多个功能电路可以按照需要组合，以对被支持的特定协议提供支持。
如能够认识到的，电路基板30往往比较大，因为它需要支撑IC模块35(IC模块35可以是多个不同的ASIC的一组合)以及存储器和其它所需的电路而且它也支撑PHY模块45(PHY模块45需要与IC模块35通信)且电路基板30需要足够的空间来冷却各种设置于其上的ASIC(这可能需要将散热器安装于对应的ASIC上)。电路基板也支撑多个端口60。
多个端口60可以各种构型设置，诸如但不限制于，安装于电路基板30的一个或者多个行业标准插座的一个以上的组合。可能的标准设计的例子包括但不限于SFP、QSFP、CXP、CFP、OCULINK或者任何其它所需的连接器构型。如能进一步认识到的，多个端口不需要针对一特定的行业标准构造。
该现有的架构存在的一个问题是它往往实施成本很高。PHY模块45利用模拟信号与端口80通信同时PHY模块45利用数字信号与IC模块35通信(因此PHY模块45提供信道的数字部分和模拟部分之间的变换)。这就造成很多问题。一个问题是信道的数字侧往往需要更多层的电路基板以给组成IC模块35的各种电路之间提供合适数量的信道。这会导致一电路基板具有很多层，使整个系统的成本增加。结果，某些人群会赏识对一通信节点10的构造的进一步改进。
发明内容
公开了一种供设置成以一通信节点运行的设备使用的架构。一外壳设置成支撑一第一电路基板和一第二电路基板。第一电路基板设置成传送数字信号以支撑一集成电路(IC)模块。第二电路基板设置成支持数字信号和模拟信号。第一电路基板经由一个或者更多的连接器连接于第二电路基板。第二电路基板支撑包括多个端口的一端口模块，所述多个端口设置于外壳的一面板上。所述两个电路基板的使用允许在所述多个端口和所述IC模块之间有一数字平面接口。
一变压器箱可安装于第二电路基板且可包括设置成接合一对接连接器的一第一端子组。一变压器可用于将变压器的电线侧上的第一端子组耦合于变压器的芯片侧上的迹线。一第三电路基板可以与第二电路基板平行的方向相邻变压器箱对准(aligned)且信号端接可发生在第二电路基板上。第三电路基板可设置成给第一端子组提供以太网供电(POE)。
附图说明
本发明通过举例示出但不限制于附图，在附图中类似的附图标记表示类似的部件，且在附图中：
图1示出一现有技术的通信节点的一实施例的一立体图。
图2示出一现有技术的通信节点的一示意图。
图3A示出一通信节点的一实施例的一示意图。
图3B示出一通信节点的一实施例的另一示意图。
图3C示出一通信节点的一实施例的又一示意图。
图4示出一通信节点的一实施例的再一示意图。
图5示出一通信节点的一实施例的还一示意图。
图6示出一端口模块和多个电路基板的一实施例的一立体图。
图7示出图6所示的实施例的另一立体图。
图8示出图6所示的实施例的一分解立体图。
图9示出图6所示的实施例的一简化立体图。
图10示出图9所示的实施例的另一立体图。
图11示出图9所示的实施例的一简化立体图。
图12示出图11所示的实施例的一放大立体图。
图13示出图12所示的实施例的一部分分解立体图。
图14示出安装于一电路基板的一变压器箱的一实施例的一分解立体图。
图15示出图12所示的实施例的一简化立体图。
图16示出图15所示的实施例的沿线16-16作出的一剖开的立体图。
图17示出图16所示的实施例的一部分分解立体图。
图18示出一变压器的一实施例的一示意图。
图19示出一变压器箱的一实施例的一立体图。
图20示出图19所示的实施例的另一立体图。
图21示出图19所示的实施例的又一立体图。
图22示出一端口模块和多个电路基板的一实施例的一简化立体图。
具体实施方式
下面具体的说明描述多个示范性实施例且所公开的特征不意欲限制到明确公开的组合。因此，除非另有说明，本文所公开的各种特征可组合在一起而形成出于简明目的而未示出的多个另外组合。
图3A至图5示意地示出一通信节点100的多个实施例。应注意的是，图3A至图5示出的示意图将位一外壳内且由此至少针对允许通信节点安装于一服务器机架内且与其它设备通信的外部接口而应与常规的通信节点结构兼容。
参照附图，一外壳114(其可由一导电材料制成)支撑一第一电路基板130，第一电路基板130进而支持一IC模块135。在一实施例中，电路基板130由脚部195支撑，脚部195支撑外壳114上的电路基板。电路基板130典型地具有6层或更多层且如果需要可包括24层或更多层。如上面提到的，IC模块135可包括互相通信的多个独立的器件，这些器件包括数字处理器、数字信号处理电路、存储器、加密电路等。因此，IC模块135可用提供所需功能的任何需要的ASIC的集合以任何所需的方式构造，且这些器件在本文统称为IC模块。
外壳114也支撑一第二电路基板140(如图所示，第二电路基板140由脚部195支撑但是也可由其它的机械结构支撑)。第二电路基板140支持构造成接收和发送模拟信号以及接收和发送数字信号的一PHY模块145。PHY模块145经由连接器180和/或连接器181与第一电路基板130(从而与IC模块135)通信，连接器180和/或连接器181能提供PHY模块145和第一电路基板130之间的多个信道。在一实施例中，所述连接器能提供超过40个的信道。因为PHY模块145和IC模块135之间的信号是数字的，所以如果需要，PHY模块145可与IC模块135隔开大的距离(例如，超过13cm)。
PHY模块145也与一端口模块160通信，端口模块160可以是一种或多种所需的构型的多个端口。端口模块160提供使PHY模块145与外部器件通信的一接口。
因为电路基板140与电路基板130是分离的，所以电路基板140的层数可与电路基板130的层数不同。在一实施例中，电路基板140可有大约6层，而电路基板130可有8层或更多层。
所示的分支式的电路基板设计的一另外的优点是电路基板140可由一更高性能的材料制成。众所周知，当支持高数据速率时，使用接近10或者更高GHz的信号频率往往是有必要的。例如，一50Gbps的通道可能需要使用25GHz的信号(例如如果采用NRZ编码)。典型的电路基板材料(诸如FR4)不(poorly)适合这样的高频率且频率在10GHz左右会产生严重的插入损耗。存在其它材料更适合于模拟电路中常见的高频率但往往明显更昂贵。例如，诸如NELCO-N4000之类的材料在高频率时带来的损耗要低得多。
因此，所示的设计允许选择性使用材料。针对PHY模块在高频率工作的应用，对电路基板140使用一替代材料的损耗比对数字电路继续使用FR4时FR4的损耗低25％或者更多(如FR4往往适合在模拟电路中存在的问题而变成几乎不成问题的数字电路)。这允许基于应用需要而选择性使用材料，在不需要情况下不使用更多层数的或者更贵的材料。且在电路基板130需要更多层以管理全部信道的情况下，电路基板140能由更少层数制成(典型的不需要超过6层)且因此在扩大(extend)电路基板140的整个表面时提供成本节约。
如能够认识到的，尽管示出了两个电路基板，但可另外增设电路基板。例如在一实施例中，用于利用数字信号工作的一第一电路基板可设置在外壳中且可连接于第二电路基板和不同的一第三电路基板，第二电路基板和第三电路基板设置成提供模拟信号。第二电路基板和第三电路基板可彼此相邻设置且也可设置在第一电路基板不同的两侧。因此，所示的实施例实质提供了显著的架构上的灵活性。
图3B示出能结合到一通信节点的另外的特征。具体地，它包括由一电路基板130支持的一IC模块135，电路基板130经由信号通信组件190与电路基板140上的一PHY模块145通信。在这样的一系统中使用信号通信组件190(其可以是连接器和线缆)预计将显著减少电路基板130和电路基板140之间的损耗，因为信号通信组件190的损耗比使用电路基板材料的损耗往往要低。这使得电路基板130能提供需要的功能而无需担忧远距离传输信号。
另外的特征包括一电源134，电源134可利用电源传输组件191(其也可包括线缆和连接器)给电路基板140供电。如在图3A中，一端口模块160设置成允许通信节点与外部设备通信。PHY模块145可包括一功率调整器，以确保由电源134提供的功率被合适地控制(这在一定的情况下将使得端口模块操作更有效)。根据需要，一增设的通信组件192可用于通过提供各种通信、控制和时序信号帮助控制PHY模块140的运行，以确保PHY模块140以一预期的方式下运行。
图3C示出与图3B所示的实施例相似的另一实施例但包括独立的电路基板140a-140d，各电路基板140a-140d分别支持一端口模块145a-145d。各电路基板140a-140d也支持各自的一PHY模块145a-145d和各自的一端口模块160a-160d。电源传输组件191和信号通信组件190也包含在内但可构造成一独立的通道设置于各电路基板140a-140d。根据需要，可在电路基板140a-140d的两个之间或者电路基板130与电路基板140a-140d的其中一个或其某种组合之间延伸的控制通信组件192a-192d允许给PHY模块145a-145d提供通信、控制和时序信号。
图4示出图3A所示的特征的一示意图且示出一潜在的物理方位。如能够认识到的，支撑件195可用于支撑一外壳114内的电路基板130、电路基板140，从而端口模块160位于外壳114的一面板115上。如上所述，一个或者更多的连接器180(其可以是任何所需类型的连接器系统，诸如一线缆组件或基板对基板连接器)可用于提供电路基板130和电路基板140之间的信号路径(signal path)。
图5示出具有一构型的一实施例的一示意图，所述构型包括端口模块160和PHY模块145组合的特征但是处于已确定在特定的应用中是有益的一特定的物理构型下。如图所示，一第一电路基板202设置成在一第一侧(且如所示出的可选地在一第二侧)支持一接触磁性组件201且第一电路基板也支持一信号调制电路206(信号调制电路是典型的PHY模块145的部件)。当一电压接线(voltage connection)208设置成支持信号调制电路206的同时，一通信接线205允许信号调制电路206在一数字模式下与一ASIC通信。
接触磁性组件201包括连接于磁件221的一线接口220(线接口220通常是一端口模块的部件且可以是一RJ45连接器或一些其它所需的接口)。磁件221以一常规的方式发挥功能且在提供一些电隔离的同时允许线接口220和一设备接口222之间的信号进行通信。如图所示，线接口220经由一端接电路204端接于一第二电路基板203，端接电路204可以是任何所需的端接电路。设备接口222连接于第一电路基板202且由此连接于信号调制电路206。因此，如能够认识到的，线接口220可以与第一电路基板202电隔离，即使信号调制电路206设置成经由磁件222给线接口220提供信号。
所示构型的一个好处是第二电路基板203(其可以是在一独立的电路基板用于一IC模块的系统中的一第三电路基板)可包括经由一电源接线207的注入到端接件的电源(power injection into the termination)且在一实施例中电源能经由一端接电路(诸如端接电路204)插入双绞线同时确保第一电路基板202和第二电路基板203(如从所示出的实施例能够认识到的，可存在有两个第二电路基板203)之间存在一有效的电隔离。这能够潜在地减少对隔离电容器的需求，且即使使用隔离电容器，也可改善性能，因为第一电路基板202能优化信号性能和/或做得更小而不需要补偿电隔离。
第二电路基板203也包括一通信接线205以及一调节电路209。应注意的是，各电路可包括与其它组件的连接，且因此所示出的构型允许导线/线缆连接于所示出的电路。
如能够认识到的，第二电路基板203可位于第一电路基板的两侧。以太网供电(POE)提供的电源可设置于第二电路基板203上且因此POE电源可与第一电路基板202分离。所示出的构型可以提供大量的益处。
图6至图22示出图5示意性地示出的实施例的一典型的构造。应注意的是，所示出的实施例出于简洁目的未示出全部的电路，因为特定的电路的使用将取决于安装于电路基板上的芯片以及最终的组件和正使用的芯片所需的功能和性能。也应当注意的是，电路旨在包括任何期望的构型且可以是但不限制于一FPGA芯片、一PHY模块、一收发器或任何所需的器件和集成电路的组合。
所示的前模块组件325包括一端口模块360，端口模块360包括具有一罩体362的一基座361，罩体362至少部分环绕基座361的一周边延伸。端口模块360限定上端口360a和下端口360b。典型的前模块组件在一堆叠成组构型中(如图所示)包括多个端口且应注意的是，一端口模块可包括多于或少于所示出的6个端口，且在替代实施例中可不包括堆叠的端口。如能够认识到的，与一纯成组构型相比，堆叠构型的一个好处是降低成本的能力，如后面进一步要讨论的。
所示出的前模块组件325包括一第一电路基板312以及两个第二电路基板313。第一电路基板312可包括接收和发送信号的电路316且由此电路316将典型地包括一PHY模块以及其它所需要的芯片和器件(诸如一介质独立接口芯片或者微控制器)，用于过滤和修改接收信号和发送信号以及与系统的数字部分通信。在所示出的构型中，第一电路基板不包括以太网供电(POE)元件而是包括电源插入电路(Power insertion circuitry)(其可以是常规的POE电路)且任何所需的端接电路(诸如称为Bob-Smith端接的端接电路)可包含于第二电路基板313上。如能够认识到的，这样一种构型使电源插入器件部分(componentry)和更高电压接触器件设置于第二电路基板313上，因此使第一电路基板312的布局更简单。根据需要，可包含诸如图3C所示的电源通信组件191的一线缆接线(未示出)，以为第二电路基板313供电。虽然出于简洁目的未示出，但是第一电路基板312也将包括一信号通信组件190，以使得第一电路基板312与设置于另一电路基板上的一处理器通信。
如能够认识到的，第一电路基板312支撑一变压器箱340。在一成组的构型中，多个变压器箱340可并排设置于第一电路基板312上。在一成组的构型中，第一电路基板的两侧均可设置变压器箱(如图9所示)。各变压器箱340包括变压器基座340a以及支撑一第一端子组341a、341b的一端子用框体343，且如果需要，变压器箱可在第一电路基板312的两侧上设置成相同。如所示出的，第一端子组341a、341b提供一端子排342且端子用框体343与变压器基座340a为一整体。在一实施例中，端子排342设置于由基座361提供的一梳部(comb)364，但这种一种构型不是必要的。变压器箱340能够可选地支撑一个或多个导光管359，且一对应的发光二极管(LED)可设置于电路基板312上，从而LED被变压器箱340覆盖。
变压器箱340支撑多个变压器346，所述多个变压器346用于将从第一端子组341a、341b接收到的信号(从一电线(line)侧)传递到第二端子组344(如到一芯片侧)，第二端子组344可连接于电路基板312上的一芯片(如PHY模块形式的一芯片)。第一端子组341a包括可连接于导线的尾部343a。如能够认识到的，变压器箱340包括一内部345且示出为提供一变压器346(变压器346包括一铁氧体磁芯347a和绕组347b)，变压器346磁耦合第一端子组341a、341b的尾部343a连接的信号线和与第二端子组344的尾部344a连接的信号线。第二端子组344也包括可焊接于电路基板312的焊接尾部344b。变压器箱340也包括可用于将变压器箱340固定于各自的电路基板312、313的基板保持元件348a、348b。
如果需要，变压器箱340可在尺寸加大且也用于支撑一个或多个过滤器件。变压器箱340也示出为包括设置成与第二电路基板313上的导孔355接合的端接针349。端接针349可连接于每对导线的一中心抽头(centertap)且可在第二电路基板313上以组合方式提供一Bob-Smith端接电路或一些其它所需的端接电路(如上面所提到的)。因此，端接针349可连接于图18中的中心抽头CT(这自然使得通过施加一电压于中心抽头CT将电源插入变压器)。众所周知，这个电压与中心抽头CT’(其在芯片侧)电分离且因此芯片侧(S’+，S’-，CT’)不需要高电压分离(诸如可由一2kV的电容器提供)。用于信号耦合和电源插入的变压器与POE标准兼容是众所周知的，所以这里不再进一步讨论。如能够认识到的，所示出的构型允许在第二电路基板313上进行电线侧(line side)信号的端接，而信号通过变压器，以提供/传递给第一电路基板上的迹线(用于最终连接于一PHY模块)。当然，如果不设置第二基板，端接也可能发生在第一电路基板312上，但是这种构型可能需要在第一电路基板312上具有更多的空间。
所示出的变压器箱340包括一前孔352以及一后孔353。已经确定的是，包括前后孔352、353有益于成型变压器箱340，因为它使得第一端子组341a和第二端子组344嵌件成型于变压器基座340a(这些孔提供了一种将端子保持在所需位置上的方式)。在一实施例中，第一端子组和第二端子组各具有各自的尾部,尾部远离与对应的尾部对应的孔弯折/延伸。在需要的情况下，变压器箱也可包括一凹槽354，以使气流通道在与尾部344a对准的一位置通过变压器基座340a。例如，如果尾部344a也焊接于电路基板312，则这会是可取的。应注意的是，一旦变压器箱340的内部构件电连接在一起，内部构件可用环氧树脂(epoxied)或灌封(potted)就位，以帮助固定并保护用于提供所需功能的导线/铁氧体磁芯。
如从图22能够认识到的，第一电路基板312和第二电路基板313位于一变压器346的相反侧，从而第一电路基板可定义一第一平面371，第二电路基板313可定义一第二平面372，而变压器346可定义一第三平面373，第三平面373与变压器346的一中心平齐，其中各平面371-373互相平行且第三平面373平行于第一平面371并在第一平面371和第二平面372之间。变压器346包括电连接于第一端子组341的一电线侧且包括电连接于端子组344的一芯片侧。如能够认识到的，电源可插入到第二平面372中且由此第三平面373将第二平面372与第一平面371电连接，从而可给第一端子组341a供电。端子组344位于第一平面371且与第一端子组341a电隔离。由此，在电线侧，电源能在第二平面372中提供、穿过第三平面373而到达第一平面371，同时在第一平面371中保持与芯片侧隔离。
本文给出的申请以其优选实施例及示范性实施例说明了各个特征。本领域技术人员在阅读本申请后将作出处于随附权利要求的范围和精神内的许多其它的实施例、修改以及变形。

Claims (11)

1.一种通信节点，包括：
一外壳，具有一第一面板；
一第一电路基板，由所述外壳支撑，所述第一电路基板支撑一集成电路模块；
一第二电路基板，由所述外壳支撑，所述第二电路基板支持一PHY模块；
一端口模块，由所述第二电路基板支撑且经由所述第二电路基板与所述PHY模块通信，所述端口模块在所述第一面板上提供多个端口；以及
一连接器，将所述第一电路基板电连接于所述第二电路基板，其中，所述PHY模块经由所述第二电路基板、所述连接器以及所述第一电路基板而与所述集成电路模块通信。
2.根据权利要求1所述的通信节点，其中，所述第一电路基板具有第一数量的层而所述第二电路基板具有第二数量的层，所述第一数量比所述第二数量多。
3.根据权利要求2所述的通信节点，其中，所述第一面板距所述集成电路模块至少13cm。
4.一种通信节点，包括：
一外壳，具有一前面板；
一第一电路基板，设置于所述外壳内；
一集成电路模块，由所述第一电路基板支撑；
一第二电路基板，设置于所述外壳内，所述第二电路基板具有一第一侧以及一第二侧；
一PHY模块，由所述第二电路基板支撑；
一连接器，设置成提供所述集成电路模块和所述PHY模块之间的通信；
一第一变压器箱，安装于所述第一侧；以及
一第二变压器箱，安装于所述第二侧，其中，所述第一变压器箱和第二变压器箱均包括具有一内部的一基座且所述基座各支持一第一端子组和一第二端子组，其中，各第一端子组设置成接合一对接连接器而所述第二端子组设置成连接于所述第二电路基板上的迹线，其中，各变压器箱中的第一端子组和第二端子组经由设置于所述变压器箱的一变压器耦合且所述第一端子组和所述第二端子组均延伸进入到各自的变压器箱的内部。
5.根据权利要求4所述的通信节点，其中，一第三电路基板安装于所述第一变压器箱上，所述第三电路基板包括用于所述第一变压器箱的一端接件。
6.根据权利要求5所述的通信节点，其中，所述第一端子组与平行于所述第一电路基板的一第一平面平齐且所述端接件设置于与所述第一平面平行的一第二平面，所述第一平面和第二平面间隔开，其中，平行于所述第一平面的一第三平面能定义为穿过所述变压器的中心且所述第三平面设置在所述第一平面和所述第二平面之间。
7.根据权利要求5所述的通信节点，其中，所述第三电路基板包括以太网供电电路且设置成给所述第一端子组供电。
8.根据权利要求4所述的通信节点，其中，所述第一端子组和所述第二端子组嵌件成型于所述基座。
9.根据权利要求8所述的通信节点，其中，所述基座包括与所述第一端子组的尾部对应的一第一孔且还包括与所述第二端子组的尾部对应的一第二孔。
10.根据权利要求9所述的通信节点，其中，所述第一端子组的尾部弯折，以延伸远离所述第一孔。
11.根据权利要求4所述的通信节点，其中，所述第一电路基板具有第一数量的层而所述第二电路基板具有第二数量的层，所述第一数量比所述第二数量多。
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