高速背板连接器全链路仿真案例

高速背板连接器(backplane connector)用于连接背板和子板等,通常用于模块化设计的服务器、交换机和路由器等通信设备、算力设备中。高速背板是电子系统中各模块间进行物理连接的部分复杂系统,依赖于背板上的连线、走线和连接 器来处理大量的高速数据流。高速背板连接器是高速背板和各个子板之间的桥梁与枢纽,对多个模块间的通信起重要作用。一般情况下,高速背板连接器用于连 接背板和子板,物理形态上,子板和背板间成垂直结构、平行结构等,传递高速差分信号或单端信号以及传递大电流,主要用于服务器、交换机、路由器和光纤传输应用中,是大型通讯设备、超高性能服务器和巨型计算机、工业计算机、高端存储设备常用的连接器。

伴随以太网传输单通道传输速率和总体速率的提升,高速背板连接器作为系统模块互连的关键组件,传输速率已经升级至112G,正在向224G 演进。随着人工智 能、云计算、自动驾驶、5G 数据流量和应用、元宇宙等技术的发展,数据中心对 高吞吐和大带宽的需求越发迫切,以太网/IB 等网络速度已经从 25G/50G 增长到 400G/800G,并有望很快达到 1.6T;单通道信号传输速率逐渐升级到 112G,正在向 224G 领域演进。高速背板连接器等作为整体互连功能的元件,在高速数据传 输的应用中扮演着不可或缺的角色,已经向112G/224G 等方面发展,以匹配各种应用场景下的高速互连要求。

如果没有连接器,高速信号在板内几乎可以”横着走“,正是这个连接器的存在,让信号在某个频段有一个很大的谐振。犹如高速公路上突然出现一个坑,再好的跑车也跑不出它的速度。

那么,含高速背板连接器的链路如何仿真,才算准确?

首先,设计一款测试板,分别由子卡A,背板B,子卡C组成。

对子卡A进行仿真,仿真结果如下图所示。

可以看到,在16GHz左右的位置出现了谐振点。子卡A涉及SMA连接器处的过孔和高速连接器处的过孔,这两处的过孔如果设计不好都是有可能导致谐振的。所以是仿真的问题还是设计的问题呢?

不是很好判断,此时,测试的作用就体现出来了。对全链路测试发现,谐振点在23GHz左右,而全链路仿真的谐振点提前了很多。


因此,判断是仿真上出问题了。

尽管有两处过孔,一小一大,子卡A全链路仿真改后,全带宽内是没有谐振的。

如何来找这个问题出现在哪里?可以把子卡A的链路分成三段,1段是SMA出线,二段是长走线,三段是连接器出线。三段分别仿真,即可发现问题出现在一段。

1段

2段

3段

仔细看一下端口,不难发现,软件自动生成的Port中,GND柱子离得有点远,有点偏离实际情况,需要纠正。

具体怎么操作,如果去layout改封装,一切还要重来一遍,太麻烦了,我们肯定是希望在软件里面可以直接调整过来。

第一步:先解封装,把原先的group解散掉;

第二步:重新创建一个Group

如果直接选中所有组件,生成的group中还是只有之前的那两个GND,新选中的GND过孔依旧没有加入到Group中。

这样生成的Port和之前是一样的。

观察发现,可以生成Port的是Pin属性

而GND孔的Type是Via,无法生成GND柱子。

第三步:把GND孔的Type改成Pin,再选中GND via

重复操作3,这样生成的Group就会包含GND孔

重新生成Port,GND就连接起来了。

修改Port后重新仿真,代入全链路数据

新问题又来了,仿真结果比测试结果理想太多,谐振点到了30GHz。这又是什么原因呢?

通常,我们拿不到高速连接器的结构材料模型,能给仿真的S参数模型已经是有一定的合作关系的,能拿到实测模型的那一定是有几杯酒交情关系的。

上面那个问题,究其原因,在于连接器的模型使用的是仿真模型,拿到原厂连接器测试模型,替换后验证。    

谐振点基本吻合,仿真数值比实测数值略微偏大,连接器的测试的模型包含了PCB的过孔,这样有重复,可能与原厂的测试板设计上略有差异。

自己测试连接器,去嵌后将S参数导入,比使用原厂测试数据更加吻合。

因此,要想仿真数据精度足够高,仿测拟合完美合一,连接器的参数自己测试。    

如果只是一个案例还不足以说明,那么,换一层走线重新验证。

使用原厂提供的连接器仿真S参数进行全链路仿真与全链路测试的结果对比

换成原厂提供的连接器测试S参数

使用自测试的连接器S参数

     

作者:南峰说

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