I/O連接器高速數據速率下的EMI和熱性能問題

電子發燒友網報道（文/李寧遠）在過去的數十年間，數據傳輸速率在明顯增加，數據的輸入、輸出都依靠著I/O連接器的連接。插拔式I/O連接器是各類和數據相關的應用里最常見的連接器，現在的插拔式I/O連接器正在從40G/100Gb/s以太網和無線EDR規范向800Gb及更高的版本發展，I/O端口緊緊跟隨著數據流飛速增長的腳步。

在插拔式I/O數據速率越來越高的背后，如何有效限制光纖收發器產生的EMI輻射和熱量的也越來越重要。

端口升級帶來的EMI和熱影響

為了滿足數據速率和帶寬的需求，有兩種很傳統的辦法來實現，一是使用現有的（Q）SFP連接器器來增加端口密度，二是使用更新的更高的數據速率（Q）SFP+光收發器，以降低端口密度和增加帶寬。

這兩種辦法在EMI和熱性能影響上都有很多欠缺。連接器的漏損、板級組件的類型以及其他屏蔽不當的連接器都會帶來嚴重的電磁干擾，這些干擾會降低或限制電路的有效性能，對數據傳輸的最終效果有很大影響。

熱性能同樣影響著最終的數據傳輸效果，大功率數據傳輸的電力消耗一直都在增加，連接器在熱性能設計上的欠缺會導致連接器組件因為功率水平較高而導致的高溫可直接影響元件的壽命。如果不對熱設計進行優化，敏感元件往往會更快地出現故障甚至直接損壞。終端用戶肯定是希望在不增加熱輸出的情況下滿足預期的速度要求。

增強屏蔽改進EMI性能

現在的插拔式I/O連接器基本上都會為模塊提供機械限定以增強EMI性能，單端口以及單排堆疊式高密度多端口SFP屏蔽籠的小封裝熱插拔產品線業已經很成熟，連接器主板上會包含電磁干擾屏蔽籠。但是隨著速率再提升，這種屏蔽仍然有著很大的提升空間。

添加EMI屏蔽層是各類連接器解決EMI的常見做法，屏蔽層由各種導電填充物組成。板級屏蔽是一種針對高速設備設計的專門限制EMI的解決辦法，類似于添加EMI屏蔽層，板級屏蔽通過沖壓的一件式和兩件式金屬殼體，在不影響系統傳輸速度的情況下，為板裝式壓力元件提供板間隔離，并最大限度減少串擾并降低EMI易感性。

板級屏蔽的設計和屏蔽層材料選擇決定了屏蔽性能，板級屏蔽層上會設計很多開孔，連接器廠商會盡可能設計小的開孔。在總開孔面積不變的情況下，每個孔的面積越小，屏蔽效果越好。材料的傳導性也會影響屏蔽效果，尤其是板級屏蔽層表面涂層所用的材料，因為高頻電流通過導體外表面流通。冷軋鋼CRS是常用的板級屏蔽材料，其屏蔽效果非常好。

也有很多廠商會選擇用鋁材料來做提供和CRS類似的屏蔽性能，嚴格來看屏蔽性能會稍有降低。這是為什么呢？原因就在于減少重量，改善導熱系數。

優化熱管理提升連接器性能

用鋁材料來代替CRS最重要的原因就是改善導熱，鋁外殼提供的散熱性能比CRS散熱性能高出5倍。這大大提升了熱管理設計的靈活度，對于一整個數據傳輸系統來說熱管理分配是一個很重要的環節，減少熱損耗讓整個系統設計多出了不少熱預算余量。

現在的I/O連接器都會帶有散熱功能，在連接系統上添加間隙墊或者散熱墊來提高熱傳導能力。對于普通的數據傳輸場合來說已經足夠了，不過如果是大功率數據傳輸場合，則需要將散熱功能進一步增強。

散熱橋技術是大功率數據傳輸里I/O連接器很實用的技術，散熱橋預安裝在I/O籠子，依靠可靠的壓縮力，通過散熱疊片讓熱量從I/O光模塊傳遞到冷卻區。集成式機械彈簧取代了傳統的間隙墊或熱界面材料，既減少了組件數量也不會因為老化降低散熱性能。散熱橋I/O連接器的熱傳導能力比普通散熱的I/O連接器高出兩倍。

小結

I/O連接器在帶寬增加、優化熱管理、降低EMI、增加輸入/輸出面板密度等性能之間的平衡中一步步向前發展，隨著數據速率的持續增加，這些挑戰仍然會存在。