连接器发展趋势-连接器高速化低功耗化

2014年01月15日

探索开发在更短的时间内能够完成复杂计算任务(如技术导弹的轨迹)的机器可追溯到第一
台计算机身上. 从那个时代开始,半导体技术不断发展以致现在的手提计算设备比上世纪的
大型计算机的计算功能还强. 
通过网络每秒中数于万计的声音,数据,图像信息被发送到全球各地.
以前用毫秒为计算单位的计算机已被以皮秒为计算单位的计算机取代.
起初机械自动化的家庭用品已大部分成为先进的电子设备.
随着数字化革命,CD和iPod取代留声机唱碟,数码相机淘汰胶卷相机, 数字电视大行其道.
微型处理器速度的突飞猛进,使数码产品的性价比大幅提高,10年前不敢想象的电子产品
市场上应有尽有.
所有这些都是以微型处理器时钟周期越来越短,功率越来越大为前提. 若空间允许成排的风
扇能够驱动冷却空气带走热量,这些电子产品也许还不会面临很大的挑战. 当桌上型电脑被
设计成刀片式服务器或PDA,封装问题严重影响散热以致半导体的温度高于工作极限而失
效.? 
为了满足性能和可靠性要求, 当今的系统设计者必须仔细平衡传输速度, 功率,封装密度之
间的关系.
互联网新的应用领域,如高清电视的兴起,将不断推动传输速度的要求. 10Gb的以太网将会
被提升到40Gb,100Gb,甚至1Tb. 整套硬件也会被要求相应更新. 面临的挑战是,如何找
到合适的方案来保证高速信号在传输过程中不失真,损耗小.
这种电子工业传输速度高速化,功率密度化将会对连接器产生怎样的影响呢?
过去二十年,高速信号和电源连接器经历了非比寻常的转变. 工业标准2mm背板连接器主
要被设计用在不高于1G频率的场合. 对于更高的频率, 允许一定串扰水平的环境, 可通过
增加专用的地线pin来实现,但pin数的增加使得成本急剧增加,产品变得很笨重. 随着差
分技术的快速导入,触发新一代高速连接器的高速膨胀,差分技术高速连接器的特点是,将
地线层溶入到连接器内部,改善噪声隔离,提高信号密度.
安费诺的TCS VHDM HSD和泰科电子的Z-Pack HM-Zd高频连接器将带宽扩到3.125Gb/s.
法码通(FCI) AirMax VS 高频连接器把空气用作绝缘介质,将端子错位,取消内部屏蔽, 给
高频连接器领域带来不小的轰动. 连接器是否要屏蔽至今还争论不休,故这个领域的连接器
厂商提供带屏蔽和不带屏蔽的产品给客户选择. 
随着客户对传输速度的要求越来越高,连接器供应商不断优化微调他们的产品, 调整的内容
有:采用软干涉(compliant pin)连接电路板技术(电路板的孔可以做得更小); 用定制的塑胶来补偿信号倾斜(Skew); 推荐在电路板扩孔(counterbore). 半导体技术的发展(尤其是preemphasis&equalization), 使连接器厂商能够展示他们更高频率的产品.
背板连接器市场经历了新界面暴增时代,这些新界面连接器是为了迎接新一代应用的竞争而准备. 在这个领域主要有4个厂商: Amphenol TCS, FCI, Molex, Tyco Electronics. 他们均能供应20Gb/s的连接器.
目前几乎没有量产的领域要求这么高的传输速度,但是这种高性能的连接器却给了未来系统更新的空间,对系统设计者很有吸引力.
高速背板连接器是新系统硬件的至关重要零件,一旦在系统设计阶段被选上, 很可能无法用别家的连接器替换. 因为在10Gb/s以上工作频率,若连接器的内部结构不同,传输性能会大不一样. 有鉴于此,设备厂商与他们主要连接器供应商达成协议,要求连接器供应商共享设计和生产方面的知识产权,在设计和生产上具备足够的一致性以保证界面的互换性及高速传输的兼容性. 这种要求连接器供应商之间共赏连接器技术的做法是史上少见的,创了历史先河,很可能是未来连接器产业的发展趋势.
材料和产品结构技术的发展拓宽了电缆组件的带宽和提高电缆组件的传输速度. 采用被动和主动的信号调理(signal conditioning)技术,铜件电缆能够提供速度高于10Gb/s距离高达24米性价比优越的方案.
当铜件连接器接近它本身固有的极限时,带宽几乎不受限的光纤连接器被认为将取代铜件连接器. 然而铜件连接器的极限不断被延伸的事实一次又一次令光纤零件供应商失望. 尽管如此,光电转换器的价格不断下降及带宽不断增加必定会使光纤连接器在I/O, 甚至背板领域成为铜件连接器的有力竞争者, 但恐怕没有人能准确预计具体什么时候出现这种情景. 近年来,电缆密度高的数据中心和服务器群场合使系统设计者考虑到光纤线缆的尺寸大小和重量优势.
所有带宽的增加都会导致更大功率消耗, 一个简单的处理器的功率就有100瓦,自1995年起,功率一直在增加, 虽然大家认识到问题的严重性,功率增加的速度在减缓,但从系统面来看,功率还是一直增加.
曾经有些年,电源连接器生存在较小的利基市场. 大部分主要的连接器厂商供应标准的电源连接器,而少数几个供应商则完全专注于这个连接器领域. 这个时期的电源连接器的主要特点是,个头很大,应用欠灵活性,成本高,难于量化. 系统设计者往往选择一家连接器厂商. 厂家经常将额定电流标得较大(实际应用达不到规格值), 这种局面在之后一段时间发生极大的变化.
SSI是一个工业标准,该标准建立了服务器的总体框架,也定义了整个服务器的机械机构,其中包括电源连接器. 有几家连接器厂商随后开发了满足该标准要求的电源连接器,这类连接器的特点是,模块化(具有很大的应用灵活性),个头矮,效率高,相对成本低. 有趣的是,SSI标准在服务器工业领域并未被广泛接受,但以它为标准的电源连接器却被用到各种设备电源里.
这种标准的连接器极受市场欢迎,市场进一步反馈电源连接器应具备如下特点:高导电率;具有灵活性的模块设计---以致轻微的模具调整便能生产出客户所要的定制产品,便于与信号连接器组合组成客户所需的电源信号混合连接器;连接器塑胶外壳很矮---占用更小的空间及有利于空气流通,提高散热能力和载流能力. 基于市场对新型电源连接器的青睐,主流的电源连接器厂商大力扩展此类连接器. 传统的电源连接器厂商加速导入对用户更加友好,更具灵活性的产品. 有几款电源连接器,塑胶外壳内部被掏空并且开了很多缝和孔,极利于空气流动,载流能力甚为理想. 
大众市场上的电源连接器每pin的载流能力从几安培到150安培.

连接器发展趋势展望如下:
在一段挺长时间内,系统更高性能的竞争不会停止,芯片技术不断发展终将导致产品几何形状越来越小,时钟周期越来越短. 高速背板连接器和I/O连接器厂商忙于开发下一代支持20Gb/s速度的产品. 信号调理技术的进步保证了连接器不会成为传输速度日益高速化的带宽瓶颈.
系统的能耗开始于芯片层次, 厂商致力于降低芯片每个时钟周期的能耗. 近年来,电源连接器产业日益兴旺,性能优越的新接头不断进入市场. 新一代电源连接器会在如下方面得到改进:

    • 设计和材料性能;
    • 功率密度;
    • 更低的塑胶高度,更好的空气流动性,更佳的散热性能;
    • 设计灵活性,低成本或不增加成本实现定制需求;
    • 更加准确,更加全面地评估连接器在真实应用中的性能;
    • 被正式工业联盟或事实标准标准化;
    • 多供应商供货降低应用成本.
来源:深圳市申瑞达科技有限公司
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