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介绍一种高密度低成本的下一代I/O连接器行业资讯

2022-08-12 16:06:16

为适应网络技术的发展,人们开发出适用于GbE网络的输入/输出(I/O)连接器。它不仅可以提高网络和通信设备的接口密度,减少传输过程中的EMI干扰,降低相关的制造成本,而且为网络系统的进一步升级提供了条件。

1 引言

设计MRJ21连接器的目的在于提高电子器件的封装密度,提高G比特以太网(GbE) 的性能,并且减少其安装时间。I/O连接器技术的最近开发成果可以帮助人们解决网络升级和新网络设计中所存在的许多问题。用于联网和通信的两个主要I/O互连器件是模块化插孔和“25对”RJ-21连接器。这类产品的品种繁多,其中RJ-45和RJ-21型连接器最为普遍。这些连接器可以提供必要的可靠性和简洁性,并可以允许该器件在10/100 Base-T带宽范围内正常运行。

不过,随着这一G比特以太网系统的应用范围日益广泛,现有RJ-45和RJ-21互连器件的许多不足之处也日益显现出来。为了适应通信网络产品向G比特以太网时代大步跨越,现有的电子产品在某些方面已经发生了演变,新型I/O连接器也已经应运而生。

目前,人们已经设计出一种适用于G比特以太网应用的MRJ21型I/O连接器,从而使现有的RJ-21 I/O连接器的密度扩大到原来的3倍。不仅如此,它还有利于将现有的网络系统转换到G比特以太网,并实现其它网络的进一步升级。Tyco电子公司开发的MRJ21微型PC电路板连接器,如图1所示,可提供完全屏蔽和正向保持力的螺旋插孔硬件。该连接器可以应用于几乎所有的网络硬件设备。这些网络硬件设备以前采用的是标准的叠层式模块插孔产品或50芯RJ-21连接器产品(图 2)。生产以太网开关、网络柜、路由器、数字式跨接器件、DSLAM及类似产品的原始设备制造商(OEM)可以改变其原有的设计,以便接纳这种新型的MRJ21连接器

 Tyco电子公司开发的MRJ21微型PC电路板连接器

图1 Tyco电子公司开发的MRJ21微型PC电路板连接器

 

MRJ21和RJ-21连接器的对比显示更新的设计封装效率 (Tyco电子)

图2  MRJ21和RJ-21连接器的对比显示更新的设计封装效率 (Tyco电子)

 

除了可以使网络在G比特以太网环境条件下正常运行外,MRJ21连接器比先前的模块插孔和RJ-21设计外形更为紧凑。人们已经设计出密度更高用于联网I/O接口的解决方案,并通过相应测试和验证不仅能够可靠地完成G比特以太网系统的同步传输,而且还可以通过以太网(PoE或PoLAN)进行功率传输。

对于硬件设计人员来说,连接器密度的提高意味着I/O接口密度可以比原来的叠层式RJ-45模块插孔增加1.5~3倍。相对于RJ-21连接器来说,MRJ21连接器的外形尺寸减小了2/3。此外,直角弯式插座比标准叠层式插孔缩短了50%,见图 3所示。 

 

MRJ21和RJ-21连接器的对比

图3  MRJ21和RJ-21连接器的对比

 

如今, 人们已经可以使用16 只MRJ21连接器在标准的铜片上形成96个GbE接口或192个10/100接口。这也意味着其G比特以太网接口密度比RJ-45连接器增大了一倍, 这就使得每个1RU面板可以产生总共多达48个可插入式接口。这样一来就可以减少或简化接线板芯线线束的数量。这对于原设备制造商、设备安装人员和用户来说都具有很大的吸引力。

图4代表典型的MRJ21组件中6个接口中每个接口的串扰值。a图上的曲线(PS ELFEXT) 表示第一对连接器接口1、第二对连接器接口1、第三对连接器接口1和第四对连接器接口1的远端串扰值变化曲线。b图的曲线分别表示第一对连接器接口1、第二对连接器接口1、第三对连接器接口1和第四对连接器接口1的近端串扰值变化曲线。

对于网络硬件原始设备制造商来说,这种封装的优点是显而易见的,除了可以在一个给定的盒形设计内封装更多的I/O接口外,MRJ21连接器还可以提供其它设计改进措施。例如,MRJ21连接器具有可以抑制外来线路串扰的电气特性以满足或超过规定的5e类线缆要求,并且使之具有完全的屏蔽性能以抑制其电磁干扰。此外,采用螺旋插孔可以提供必要的正向锁紧功能。 

MRJ21组件中6个接口中各个接口的串扰值

频率(MHz)

图4 MRJ21组件中6个接口中各个接口的串扰值

随着接口密度的增大,原始设备制造商可以进行选择以改进其设备的功能或特性,而其它优点则以备用接口形式提供给用户以便于用户进行网络扩展或升级。有了备用的接口,用户或设备安装人员就可以在网络上连接更多的设备或器件,从而达到进一步降低成本的目的,见图 4所示。 

2  MRJ21连接器结构设计

当系统设计人员对高水平的技术进展(如提高密度和新近开发的高速设备)感兴趣时,人们推出了几种构造不同的MRJ21连接器,以此满足G比特以太网环境和联网领域中的各种应用要求。这些构造包括单接口MRJ21(选择面板接地和非面板接地、穿孔焊接以及压接方式,这两种均具有同样的板敷设和同样的尺寸)以及带有集成磁性元件的双接口和四接口的MRJ21连接器组件。

人们已经设计出比RJ-45和RJ-21互连器件更为简单、串扰噪音水平更小的MRJ21互连器件,它可以将引发外来串扰的可能性降到最低,并且可以形成一种无需像传统型RJ-45互连器件那样采用无数种专利性的噪音补偿方法。这些设计特性可保持连续的和优异的链接电特性,使得互连器件更适合于G比特应用。

 RJ-45互连器件接口

图5 RJ-45互连器件接口

采用MRJ21连接器和线缆组件的网络系统安装人员也发现其性能得到改进。首先,开关的线缆管理得到了进一步的改进,因为它只需要一根线缆(相比之下,G比特以太网或10/100/1000应用中却需要6根线缆),而且在10/100应用中其电缆线数量也由12根减少到1根。而且,这唯一的一根电缆也比对应的6 根4对电缆线的截面积小30% 左右。此外,由于PCB板的密度增大,所得到的I/O互连器件的外形尺寸较小,硬件上的灵敏度显示器的可见度也得到大大改善。最终设备用户的整体费用也可能得到进一步降低。

MRJ21连接器结构设计图

图6 MRJ21连接器结构设计图

在基础结构布线中使用MRJ21连接器之后,设备制造企业及服务供应商可以期望得到其它更多的优势。另外,从四个方面节约相关成本(劳动力、空间、时间和维护保养费)的专项研究也表明,MRJ21线缆器件可以为人们提供许多潜在的节约成本的机会。

在劳动力成本研究中,人们测算出采用MRJ21连接器时每个接口比传统型RJ - 45基线缆可直接节约安装费3.50 ~ 14美元。研究还表明,MRJ21连接器安装到上述设备后所占空间大约每年可以节约4.50美元/接口,因为数据中心可以占用更小的空间。在本项研究的高成本和重要应用环境中,其设备所占面积的节约量可达到50%以上。

此外,该研究得出一个结论:连接数据中心所需要的时间大约为传统型布线所花时间的1/6。最后,该研究表明开关更换或功能恢复所造成的停机时间明显缩短。

3 互连器件的进展

下一代模块插孔最先进的I/O应用领域之一就是10/100 Base-T传输、G比特以太网以及功率以太网集成。10/100 Base-T传输和G比特以太网其本质基本上是一回事,只是通过以太网连接器来传输功率属于一个较新的问题,并且在这类应用中所用的互连器件要求人们慎重考虑。

通过网络来传输高速信号这本身就是一种挑战,而在网络中增加低功率设备的负担又将新的挑战转嫁给一个互连系统。

首先,因为通过一个本身已经载有信号的网络来传输高速信号容易产生干扰,因此,保护信号接触件免受互连系统低功率区可能产生的干扰就显得极为重要。一些设计人员可能会选择在电路板上对互连引线进行适当的滤波以减少干扰。但这样一来就增加了制造过程中电路板加工的复杂程度,增加相应的费用成本并需要花费更多的精力。

还有另一种选择就是使用集成或组合式MRJ21连接器。组合式MRJ21连接器可以实现10/100/1000 Base-T传输,也可以采用PoE插针。将集成磁性元件和功率管理结合起来之后,就可以不必采用那种既费时又费钱的电路板级解决方案。

集成磁性元件具有下列一些必要功能:

(1)提供IEEE 802.3和IEC 60950中所提出的DC绝缘要求;

(2)提供普通模式的抗电磁干扰(EMI)作用;

(3)采用集成磁性元件就可以使DC电源应用于PoE领域。

MRJ21压接联动连接器开关在应用于以太网时,具有网络支持的功率器件的优势就可以在整个网络中得到进一步扩展。

MRJ21联动磁性元件连接器的重要属性之一就是它的灵活性。连接器可以设计成非PoE也可以设计具有PoE功能这两种类型。采用这种设计方法,网络系统从10/100和GbE 802.3af-compliant PoE进行转换就容易得多。

4 结论

近年来的产品开发似乎变得更为容易,这也进一步证明了I/O互连器件所起的作用,并将它们推上一个新的高度。这些下一代I/O连接器可以提供更高的封装密度和性能,不仅可以改善其运输装卸条件,而且可以进一步改进其生产制造过程。因此,它所影响的不仅是原始设备制造商,也影响着设备的安装人员和用户。 最重要的是,应用这些新型I/O互连器件不仅可以使G比特以太网和有源以太网更容易实现,而且可以进一步提高网络功能和工作效率。

 

参考文献:

[1] J.H.Lau, “Thermal stress analysis of SMT PQFP package and interconnections,” ASME J. Electron. Package, vol.111, pp.2-8, Mar.

[2] W.Bolton, Engineering Materials Handbook. Boca Raton, FL: CRC, 1989.

 

作者简介:

闻春国,译审,中国翻译协会专家会员,中国作家协会会员,从事情报与翻译30余年,出版有多部译著。

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