CN1543697A - 用于屏蔽连接器的电磁辐射降低技术 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于减少来自高速差分数据连接器的电磁辐射的一种方法和装置。所述方法和装置和360°罩同样有效，但制造更容易和更便宜，并且不要求晶体管－晶体管逻辑(TTL)或逻辑地与系统的底板地之间的直接电连接。

Description

用于屏蔽连接器的电磁辐射降低技术
技术领域
本发明涉及高速差分串行链路电缆连接器。更具体而言，本发明涉及使用可应用于其上安装了此电缆连接器的印刷电路板(PCB)的技术来抑制电缆编织层(cable braid)上的公共电噪声以减少电磁辐射。
背景技术
在例如服务器或桌面计算机的外设间的高速串行数据连接器的操作在各种外设/系统设备间高速传输数据。这种高速串行差分连接器用途的其他例子包括通过高速串行差分连接而连接两个外设。这些外设可以是，但并不限于，存储器盒或冗余独立磁盘阵列(RAID)控制器。高速串行应用中的电缆连接器需要特殊的屏蔽罩以隔离来自外部环境的板级噪声。
一般而言，高速串行差分连接器(HSSDC)金属罩连接到底板(chassis)和双屏蔽(例如斜纹(skew clear))电缆的外编织层。由于安全的原因，晶体管-晶体管逻辑(TTL)或逻辑地不直接连接到底板地。一个这样的安全原因是当两个隔开足够距离的系统/设备可能具有不同电势的地时，相当大的电流会沿着电缆从一个底板流到第二个底板。电势差可能很大而电缆提供了低阻抗的通路，因此电缆屏蔽上有大电流。在这种情况下，如果底板连接到两个系统的逻辑地，通过连接器壳到在不同地状态/电势的另一个设备的壳，低电势和高电势端的逻辑电路可能会烧坏。这种配置中，电缆的两端会具有电压势差，尤其是如果电缆的各端连到本地地电势不同的外设。一般实际中，推荐在连接器罩/底板(连接到本地的底板地)和逻辑地之间的大电阻来为电流提供直流(DC)通路。此电阻为电缆两端之间的任何电势差提供低电流的DC通路。
对于高频数据传递应用，一般使连接器外壳相对逻辑地悬空，这使得在连接器壳上有大量高频表面电流。该表面电流可被传递到电缆的外编织层而辐射。向底板的支架，例如外围部件互连(PCI)支架，提供对连接器的外壳间所有插槽的完整金属罩可显著减少传递到电缆外编织层的共模电流的量。从成本角度看，在大量制造环境中这种减少电磁辐射的技术一般难以实现。
涉及抑制电缆连接器(并由此在电缆编织层)上的系统共模噪声(CMN)的另一种广泛使用的板级实现技术是使用隔离变压器。隔离变压器与电缆的差分信号线串联，安装在PCB板上接近电缆连接器的端部，该电缆连接器连接到外设。隔离变压器滤掉/阻止共模噪声，而仅仅允许差模信号成为电缆连接器组件的差分信号对。在此过程中隔离变压器还使差分信号衰减，这对低数据传输率的应用不是很严重的问题。但是随着信号频率的增大，隔离变压器使例如上升时间和电平的信号特性退化。在高频率下，由于电子寄生，隔离变压器有严重的依赖频率的衰减特性，并因此由于码间干扰(ISI)导致差分信号质量的严重劣化。一般而言，隔离变压器足以来减少200-300MHz附近的电磁干扰，但对1GHz以上的应用则很有限。
附图说明
在附图的图形中通过举例而非限制的方式来图示本发明，其中相似的标号表示类似的元件。应该注意到在本公开中对“实施例”或者“一个实施例”的引用未必指同一实施例，这样的引用意思是指至少一个实施例。
图1是通过连接器耦合到高速数据信号线的电缆组件一个实施例的示意图；
图2是耦合到印刷电路板的组件的横截面示意图；
图3是图2中所示的一种平面间旁路电容器实施例的详细横截面示意图；
图4是印刷电路板上的顶层电容器极板的俯视示意图；
图5是内部电容器极板的俯视示意图；
图6是底层电容器极板的俯视示意图；
图7是表示制造电磁辐射降低技术一个实施例的方法的流程图；
图8是示出连接器壳悬空的电磁干扰扫描；
图9是示出所提出的旁路电容器实施方式的电磁干扰扫描；
图10是示出到PCI支架的360°连接的电磁干扰扫描；
图11是展示没有PCI连接的电磁干扰扫描；
图12是对比连接器壳悬空和所提出的旁路电容器实施方式的比较性电磁干扰扫描；
图13是将所提出的旁路电容器实施方式与到PCI支架的360°连接相比较的电磁干扰扫描。
具体实施方式
现在将参考附图，其中类似的结构将设有类似的标号。为了更清楚地示出权利要求的结构，这里所包括的附图是集成电路结构的概略表示。因而，虽然仍结合了权利要求的本质结构，但例如在显微照片中的所制造结构的实际外观可能看上去不同。此外，附图仅仅示出了理解权利要求所必需的结构。未包括本领域所公知的其他结构以保持附图的清楚。
图1是用于将电缆(例如高速数据电缆)耦合到印刷电路板(PCB)的耦合组件的一个实施例的示意表示。组件1包括作为高速串行数据连接器的电缆9。通过电缆9传播的信号可具有高达和超过1千兆赫(GHz)的频率。通过电缆9传播的信号可通过电缆的外壳(编织层)而随自己携带产生自系统的共模噪声(CMN)。如果未采取措施，该共模噪声可从电缆或电缆连接器的外壳辐射而产生电磁辐射。电缆9通过电缆接收器8在例如外设的输入处连接到印刷电路板。在例如印刷电路板上，电缆接收器8在电缆9中的数据信号线和电线5上的高速差分信号之间进行电连接。连接器壳7覆盖电缆接收器8从电缆9向高速差分信号线5转换信号的区域。连接器壳7对面板支架(faceplate bracket)或所讨论插卡(例如PCI卡)的底板地6一般会具有不良的电连接(或高阻连接)3。模拟不良电接触的高阻抗连接3将连接器壳连接到面板支架，然后再到底板地6。旁路电容器2是用印刷电路板(PCB)平面间电容实现的旁路电容器。组件1还包括旁路电容器2，该电容器提供到逻辑地4的低阻抗的高频交流的连接，这减少了高速连接器的电磁辐射。
图2是所提出的减少高速连接器电磁辐射干扰技术的一种实施方式的实施例的横截面示意图，示出了信号层金属和逻辑地平面。电缆9将高速差分信号传输到电缆接收器8中，随后到连接器壳7中的高速差分信号线5。连接器壳7位于印刷电路板上。连接器壳到面板支架3的高阻抗连接将电缆连接器、连接器壳和印刷电路板固定到外设或系统的底板上。用平面间电容器2来使用印刷电路板的逻辑地4作为高频交流共模噪声的地。
印刷电路板一般包括由介电材料相互隔开的多个信号、电源和地层。一种这样的电介质可以是但并不限于FR4。FR4可由美国新罕布什尔州富兰克林的Polyclad Laminates公司作为印刷电路板提供。FR4是聚合物和玻璃的组合，其在制造进印刷电路板的时候预期地起作用。FR4是电介质，从而将其间交替布置了FR4的金属层电隔离开。印刷电路板一般在其中具有若干金属化层。它可具有比图2中示出的更少或更多的层。印刷电路板可以是按例如地、信号、电源、地的模式交替布置的信号、电源和地的线路/平面的集合，这种序列可能接着被重复。
在印刷电路板的一个实施例中，顶层可以是信号层。信号层用来传输贯穿电路板的高速差分信号。如果从上看，信号层就像印刷电路板上的长条。单个信号线或迹线除了进行电接触之外将不会相互接触。在一个实施例中，将在信号层上进行从连接器壳到电容器焊盘的直接连接。信号层专用于电容器焊盘的这部分将与信号层上的其他信号线隔离开。在信号金属层和逻辑地层之间在层的任一侧上将铺一层电介质以将它们相互电隔离。信号和逻辑地间的介电层将在形成平面间电容器中充当高电容材料。
在图2中，做在信号层上的电容器极板标号为21、22、23和24。在此例子中，在印刷电路板中有四个信号层。在其他例子中可以有更多或更少的信号层。逻辑地平面11、12和13不直接连接到信号层金属21、22、23和24。相反它们在电容器材料的与信号层电容器电极相对侧上做出电容器电极。逻辑地层11、12和13可覆盖印刷电路板在它们的层面上的整个区域。逻辑地层11、12和13中的每一个都提供了电源回路，所述电源被供给安装在印刷电路板上的逻辑功能单元。在一个例子中是FR4的电介质30将逻辑地层11、12和13与信号和电源层隔离开。图2中所见的连接器引脚60从连接器壳直接连接到信号层层面21、22、23和24上的电容器金属。
图3是图2中所示组件一部分的放大的横截面侧视示意图。可以看到连接器外壳7连接到印刷电路板的顶部信号层金属21。在此例子中，信号层金属21共用于连接器外壳7类似的覆盖区(footprint)，并且是印刷电路板中的顶层。信号层金属并非必须是最靠近连接器壳的金属层，也并非必须共用连接器壳的覆盖区。信号层21可以是例如从连接器壳往下的第二层。信号层21可以是连接器壳7的覆盖区，或者可以小于连接器壳7的覆盖区或大于，这在某一方面取决于技术中所要求的电容。
PCB包括多个信号层，这里标号为21、22、23和24。在一个实施例中，信号层21是最靠近连接器壳7的信号层。在此实施例中，信号层22是第二靠近连接器壳7的信号层。连接器引脚60直接连接到所有这些信号层金属21、22、23和24。连接器引脚60穿过逻辑地金属层而不电连接到逻辑地。第一信号层金属21被介电材料30隔开。在该介电材料之下是逻辑地层11。将连接器外壳连接到各个信号层金属的连接器引脚60通过多个过孔51穿过逻辑地层11到信号层金属22之上，而不电连接到逻辑地11。连接器引脚60通过连接42而直接电接触到信号层金属22并与连接器壳7直接电接触。重复此过程穿过介电材料30，直到连接器引脚60直接连接了足够的信号层金属，以产生足够的电容来提供从连接器外壳7到逻辑地11、12、13和14的高频低阻抗交流通路。
图4是顶部信号层金属21的俯视示意图。在此示图中，可以看到连接器壳到面板支架的高阻抗连接3。除了形成到逻辑地的低阻抗的高频交流通路的印刷电路板的板间电容器，在印刷电路板的顶层上可以有分立电容器来同样地构成到逻辑地的低阻抗连接。这些分立电容器71可用来产生用于例如200-300MHz范围内的低频共模噪声的电容。便宜的分立电容器自身不能为在约1GHz的范围内的共模噪声提供低阻抗的高频通路。由信号层金属21、22、23和24结合介电材料30以及逻辑地层11、12和13而得到的平面间电容器能够处理GHz范围内的共模噪声，但在200-300MHz的范围内可能不适合。向印刷电路板的顶层增加连接到逻辑地的额外的分立电容器71，这和平面间电容器21、22、23和24一起在200到1,000MHz以上的频率范围内提供了对共模噪声电磁辐射的降低。
图5示出了印刷电路板中内部信号层的金属。在该图中金属化层标记为22；在此实施例中也可以是23，或者一个有多于4层信号层金属的实施例中的24或更高。图5示出了连接器引脚60从图3中的连接器壳7在何处电接触到在此图中是22的信号层金属。
图6示出了所提出的技术的一个实施例的底部信号层金属。假设底部信号层是印刷电路板的底层，则额外的分立电容器72可布置在底部金属层上，在此实施例中该底部金属层是24。和顶层的例子中一样，这些分立电容器可帮助在几百MHz范围内减少共模噪声的电磁干扰。
图7是表示制造一种用于高速连接器的电磁辐射降低器实施例的方法的流程图。在框710中提供连接器壳。该连接器壳一般来容纳电缆接收器，该电缆接收器允许高速差分信号从高速串行数据连接器电缆转换到用于印刷电路板的高速差分信号线。在框720中示出将一系列平行电路板电容器连接到连接器壳。通过连接器引脚将多个信号层电容器极板连接到多个逻辑地，这样就完成了平行电容器的实现。平行电容器极板在形成该实施方式的电容时将它们的电容相互累加。单个极板的电容线性累计得到更高的电容。这个更高的电容能够为共模噪声提供低阻抗的交流路径。在框730中提供对于连接器壳的电噪声的另一个低阻抗交流通路。
图8是在3米的隔音室中对2.5千兆位/秒(2.5Gb/s)的数据传输应用进行的电磁干扰(EMI)测量。该测量示出了在1,000到5,000MHz(或1到5GHz)的频率范围内的电磁辐射。在此例子中该测量的重要部分是在1,000到2,500MHz的范围内，2.5Gb/s的数据传输应用的所有信号频谱能量的有效部分存在于该范围中。这是高速串行数据连接器将发射共模噪声的主要范围。在约2,500MHz以上，HSCCD几乎不贡献噪声，EMI测量到的是从背景而来的。图8中的线801代表将连接器壳悬空而产生的电磁干扰。也就是说，连接器壳置于电缆接收器之上但不连接到任何地，于是允许最大量的电磁干扰从连接器壳辐射出去。可见电磁辐射的值从接近1GHz处的约55分贝到接近2.5GHz处的约40分贝之间变动。
图9是在具有所提出的旁路电容器实施方式的一个实施例的系统中PCI板的电磁干扰频谱。使用与进行图8中所示测量相同的技术来进行此测量。此图中的线901示出在接近1GHz处的约33分贝的电场强度逐渐增大到接近2.5GHz处的约39分贝。线901示出了从所提出的旁路电容器实施方式的一个实施例辐射的所测量的电场。
图10示出了在具有到PCI支架的360°连接的连接器的系统中，PCI板或PCI插卡所产生的电磁辐射。所述360°连接是连接器壳在所有方向上连接到地的一种实施方式。该实施方式用对共模噪声的低阻抗通路来完全包围连接器壳。所述360°连接提供了足够的屏蔽，但是它也难以制造并且十分昂贵。线1001表示由所述360°连接产生的电磁辐射。在此图中线1001示出接近1GHz处的约33分贝的电场强度逐渐增大到接近2.5GHz处的约39分贝。
图11是在3米的隔音室中没有任何PCI插卡的系统的电磁干扰频谱。该测量称为基线测量，因为它代表了电磁辐射的可测背景水平。也就是说，该测量中除背景辐射之外没有电磁辐射源。在此图中，线1101是基线测量结果。可见在该测量中线1101从接近1GHz处的约33分贝增大到我们关心的频谱高端的接近2.5GHz处的39或40分贝。
图12是相比较的电磁干扰测量结果。所述结果比较了连接器壳悬空或卡所产生的最大电磁干扰，以及所提出的旁路电容器技术的一个实施例。在此图中，线1101(实线)是没有任何插卡时的基线，或最小的可能存在的电磁干扰。电磁干扰测量线801(实线)是对于连接器壳悬空的板，或最大的可能存在的电磁干扰辐射。最后，线901(虚线)是具有所提出的旁路电容器的实施方式的一个实施例的板的电磁干扰测量。从此图显然可见所提出的旁路电容器的实施方式的这个实施例比让连接器壳悬空的解决方案要好得多。让连接器壳悬空等价于什么也不做。从此图还可见在所关心的频率中，即接近1GHz到2.5GHz，所提出的旁路电容器的实施方式的这个实施例与没有电磁辐射十分相似。所提出的旁路电容器技术的这个实施例的结果十分接近地模仿了没有电磁辐射或者没有插卡的系统基线的结果。
图13是对所提出的旁路电容器的实施方式的一个实施例和具有到PCI支架的360°连接的连接器的板的电磁干扰辐射结果的比较分析。线901(虚线)是具有所提出的旁路电容器的实施方式的一个实施例的板的电磁干扰测量。线1001(实线)表示由360°连接所产生的电磁辐射。从此图可见所提出的旁路电容器的实施方式的这个实施例具有和360°连接相等的电磁干扰辐射。接近1GHz处约33分贝到接近2.5GHz处约39分贝的场强的相等证明此实施例得到了和360°罩相同的结果，而这种技术在生产中更容易制造并且成本更低。
在以上详细说明中，已经参考本发明的具体实施例对其进行了描述。但是，显然可以对其做出各种修改和改变，而不脱离权利要求中所陈述的本发明的更广泛的精神和范围。因此说明书和附图被视为是说明性的，而不是限制性的。

Claims (17)

1.一种装置，包括：
在印刷电路板上的连接器壳；
耦合到所述连接器壳的多个连接器引脚；
耦合到所述多个连接器引脚的信号金属化层中的金属板；和
在所述连接器壳和逻辑地层之间耦合的高频低阻抗交流通路。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述高频低阻抗交流通路包括多个信号层中的多个金属板，以形成在所述连接器壳和多个逻辑地层之间耦合的平行的多个电容器极板。
3.如权利要求1所述的装置，其中，所述多个连接器引脚穿过多个逻辑地层直接接触到多个信号层，而不提供到所述多个逻辑地层的直流通路。
4.如权利要求1所述的装置，还包括至少一个耦合到顶部信号层的分立电容器，以提供在所述连接器壳和所述逻辑地层之间耦合的低频低阻抗交流通路。
5.如权利要求4所述的装置，还包括至少一个耦合到第二信号层的分立电容器，以提供在所述连接器壳和所述逻辑地层之间耦合的低频低阻抗交流通路。
6.如权利要求2所述的装置，其中，电容器的大小使得结构的第一谐振频率高于在数据模式中存在的所关心的最高频率。
7.一种方法，包括：
提供连接器壳；以及
将一系列平行的印刷电路板电容器连接到所述连接器壳。
8.如权利要求7所述的方法，还包括：
将信号层金属中的电容器极板直接连接到所述连接器壳；以及
提供对逻辑地层的高频低阻抗交流通路。
9.如权利要求7所述的方法，还包括：
将所述信号层电容器极板直接连接到具有多个连接器引脚的所述连接器壳，所述多个连接器引脚穿过多个逻辑地层而不直接与所述逻辑地电接触。
10.如权利要求7所述的方法，还包括：
将额外的分立电容器连接到信号金属化层；以及
提供在所述连接器壳和逻辑地层之间耦合的低频低阻抗交流通路。
11.如权利要求10所述的方法，还包括：
将额外的分立电容器连接到底部信号金属化层；以及
提供在所述连接器壳和逻辑地层之间耦合的低频低阻抗交流通路。
12.如权利要求8所述的方法，还包括：
确定所述电容器极板的大小使得结构的第一谐振频率高于在数据模式中存在的所关心的最高频率。
13.一种系统，包括：
印刷电路板；
耦合到所述印刷电路板的连接器壳；
耦合到所述连接器壳的多个连接器引脚；
直接连接到所述多个连接器引脚的信号层的一部分；和
从所述连接器壳到逻辑地层的高频低阻抗交流通路。
14.如权利要求13所述的系统，还包括：
直接连接到所述多个连接器引脚的多个信号层电容器焊盘，以提供平行连接的多个电容器。
15.如权利要求13所述的系统，还包括：
直接连接到所述多个连接器引脚的所述信号层的一部分的大小被确定使得结构的第一谐振频率高于在数据模式中出现的所关心的最高频率。
16.如权利要求13所述的系统，还包括：
至少一个耦合到底部信号层的分立电容器，以提供在所述连接器壳和所述逻辑地层之间耦合的低频低阻抗交流通路。
17.如权利要求16所述的系统，还包括：
至少一个耦合到顶部信号层的分立电容器，以提供在所述连接器壳和所述逻辑地层之间耦合的低频低阻抗交流通路。
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