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Samtec 技術(shù)大咖說 | PCB VS 電纜背板?

10/21 10:27
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【摘要/前言】

選擇背板設(shè)計(jì)需要對特定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/a>結(jié)構(gòu)和應(yīng)用進(jìn)行權(quán)衡。在某些情況下,對PCB與電纜背板的評估不是 "非此即彼",而是一種組合方式。

Samtec的工程師Andrew Josephson、Brandon Gore和Jonathan Sprigler進(jìn)行了一次討論,旨在回答在決定高速設(shè)計(jì)中應(yīng)該使用PCB還是電纜背板時出現(xiàn)的一些最常見的問題?

這兩種方法在成本上比較如何?】

像大多數(shù)工程答案一樣......得看情況。它取決于結(jié)構(gòu)段的物理覆蓋范圍、每個段必須承載的通道數(shù)量、網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建的物理網(wǎng)絡(luò)交叉的數(shù)量、串行結(jié)構(gòu)與其他系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施共存的需要,以及背板設(shè)計(jì)本身的范圍。對于物理上簡單的串行結(jié)構(gòu)拓?fù)浜陀邢薹秶脑O(shè)計(jì)工作,成本權(quán)衡可以簡單地評估。但是對于復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和大規(guī)模的系統(tǒng)開發(fā)工作來說,開發(fā)進(jìn)度、早期硬件/固件/軟件交叉啟用和總成本成為價值標(biāo)準(zhǔn),這些方法的成本比較答案可能變得更加復(fù)雜。

在BOM層面,電纜背板可能比傳統(tǒng)的PCB更昂貴。但是,在系統(tǒng)層面上,電纜背板可以提供顯著的優(yōu)勢,因?yàn)樗梢?b>實(shí)現(xiàn)更早的軟件開發(fā)/集成活動,降低后端的總成本。例如,電纜背板可以將刀片與測試設(shè)備、軟件開發(fā)平臺和早期工程原型系統(tǒng)連接起來,同時為經(jīng)得起未來考驗(yàn)的生產(chǎn)解決方案提供足夠高的性能。

正是出于這個原因,Samtec提供了線纜組件選項(xiàng)的經(jīng)典的直角板對板的背板連接器。有些應(yīng)用看重這些解決方案純粹是為了SI性能,有些應(yīng)用則看重它們在開發(fā)和集成方面的靈活性,有些則看重它們兩者。最后,有些開發(fā)非常適合購買與決策。從部件供應(yīng)商處采購COT電纜組件有時比通過程序性的設(shè)計(jì)定制高性能背板PCB更快/更容易/更便宜

對于不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),哪種背板更好?】

下圖顯示了一些常見網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的物理映射。在更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,由于有更多的網(wǎng)段交叉,電纜背板方法可能會遇到擴(kuò)展問題,從而使PCB路由方法更具吸引力。此外,基于PCB的背板可以提供與其他基礎(chǔ)設(shè)施共同設(shè)計(jì)的優(yōu)勢,電源傳輸和帶外低速信號。

在簡單的環(huán)形、網(wǎng)狀和星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的情況下,使用電纜背板可能允許節(jié)點(diǎn)以更大的刀片或模塊間距填充(隨著組件功率密度的增加,適應(yīng)熱設(shè)計(jì)空間,或可能放置在相鄰的機(jī)架或機(jī)箱中)。

看看上圖(右)所描述的機(jī)架/機(jī)箱中勾勒出的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在這個例子中,節(jié)點(diǎn)或刀片的設(shè)計(jì)與電纜或PCB背板的連接器是一樣的。這意味著設(shè)計(jì)者現(xiàn)在可以計(jì)劃使用PCB背板,以后可以遷移到更高速的電纜背板,或者現(xiàn)在就設(shè)計(jì)電纜背板以獲得額外的余量

上圖(左)不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有不同的物理映射。星形 "配置可能是最常見的。星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也被描繪在一個機(jī)架中(右),顯示了人們可能在組合配置中使用PCB和電纜背板的地方。

性能比較如何?】

PCB和電纜背板都能在較短的通道鏈路上提供出色的性能。電纜背板在較長的通道鏈路上也能提供出色的信號速度。電纜背板能做到這一點(diǎn)的原因之一是,布線沒有穿過PCB,所以每個差分對可以通過單獨(dú)的屏蔽電纜。與PCB通道相比,這可以帶來更少的損耗和更好的信號完整性(見下圖)。

上圖:4英寸和18英寸電纜(藍(lán)色線)以及2英寸至16英寸PCB背板(橙色線)的插入損耗比較。黑線顯示的是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的插入損耗限制。

在上圖中,所有的選擇都在超過35GHz的設(shè)計(jì)參數(shù)范圍內(nèi)工作,它們提供了5或6dB的設(shè)計(jì)余量,這在傳統(tǒng)上已經(jīng)足以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的損耗問題。但對于下一代系統(tǒng)來說,這足夠了嗎?回答這個問題需要進(jìn)行系統(tǒng)級信道分析(見下一個問題)。

112 Gbps PAM4需要多少性能?】

更高的數(shù)據(jù)限制,如CEI-112G-LR-PAM4,和IEEE 802.3 400GBASE-KR4,導(dǎo)致系統(tǒng)級的余量損失,特別是在設(shè)計(jì)具有成本效益的系統(tǒng)時。例如,當(dāng)八個通道被繪制出來,并使用信道操作余量(COM)評估對PAM4要求的系統(tǒng)級損失時, 5或6dB的余量開始變得緊張(見下圖)。

在這個800GbE端口的模型中,每個通道作為受害者,而其他七個通道作為近端發(fā)射的攻擊者。在下圖中,綠色的點(diǎn)是CEI-112G-LR-PAM4,而橙色的點(diǎn)是IEEE 802.3 400GBASE-KR4。

上圖:左邊的三個模型是用于電纜背板,右邊的三個模型使用PCB背板。請注意,16英寸的PCB背板通道(在上一段圖表中有5dB的插入損耗余量)現(xiàn)在在大多數(shù)112 Gbps通道上的COM系統(tǒng)級指標(biāo)有負(fù)余量。

我們預(yù)計(jì),隨著數(shù)據(jù)速率的提高,余量會越來越少,這在圖中得到了印證。電纜背板在所有三種長度(4、10和18英寸)上表現(xiàn)出類似的COM性能,而PCB背板超過了SERDES在8英寸的背板路由長度后補(bǔ)償損耗、反射和串?dāng)_的能力。此外,對于8英寸和16英寸的PCB背板,請注意隨著COM結(jié)果的分離,100 Gbps和112 Gbps速度之間的差異變得更加明顯。對于在112 Gbps PAM4下的16英寸PCB背板,該系統(tǒng)有一個負(fù)的COM,盡管在OIF-CEI-112-LR插入損耗限制線方面有很大的余量。

在過去,6dB的余量對設(shè)計(jì)者來說是一個舒適的地方,可以停止開發(fā)和分析,相信未計(jì)算的誤差項(xiàng)相比之下會很小。對于112Gbps和更高的速度,情況不再是這樣了。重要的是在系統(tǒng)層面上評估通道的端到端多線效應(yīng),包括所有重要的互連區(qū)域。提供板對板和電纜對板互連選項(xiàng)的連接器系統(tǒng)可用于確定設(shè)計(jì)交易空間,也為更早的集成和更長的維持提供了重要的機(jī)會。

Samtec解決方案】

Samtec提供連接器和電纜,支持PCB和電纜背板。如果您還在想:在高速設(shè)計(jì)中,我應(yīng)該使用PCB還是電纜背板?

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