高頻傳輸RJ45連接器設計問題思考

張道寬

摘要：本文針對在高速數(shù)位傳輸連接器設計中遇到的高頻問題

做了基本介紹。同時結(jié)合現(xiàn)有RJ45母產(chǎn)品，針對電磁兼容性和端子傳輸設計在實際運用中做一說明，希望起到拋磚引玉之效果，以便更好掌握其設計方法和實際應用。

關鍵詞：高速數(shù)位傳輸連接器 電磁兼容性設計 端子傳輸性

設計

1 概述

我們知道當信號傳輸由集總模型進入分布模型時，我們稱之為進入了高頻傳輸。電路是否進入離散模型取決于以下三點：

①通路長度。②信號上升時間Tr。③傳輸速度。

對于印刷板電路，當Tr<10nS時，進入分布模型。依據(jù)公式：頻寬=0.35/上升時間Tr，則0.35/10-8=35MHz 即當傳播頻寬超過35MHz時，進入高頻傳輸。

2 高速數(shù)位傳輸設計中遇到的問題

對于低頻傳輸?shù)碾娐范?，通過的電容和電感值不是頻率的函數(shù)，即不會隨頻率的變化而變化；但對于高頻傳輸?shù)碾娐范?，必需處理傳輸線效應以外，考量信號反射/串音/接地反彈/時脈不對稱等等。

3 電磁兼容性設計

3.1 芯片等有源器件的選用和印制電路板設計是關鍵

首先器件有兩種電磁干擾源：傳輸和輻射干擾源。瞬態(tài)電流是傳導和輻射干擾的初始源，減少瞬態(tài)電流必須減小印制電路板接地阻抗和使用去耦電容；其次，在設計印制電路板時，應優(yōu)選多層板，將數(shù)字電路和模擬電路安排在不通的層內(nèi)。印制電路板設計應遵循以下的基本原則：

①20-H原則：H是兩層面的距離，即元、器件平面應比接地層平面小20倍H，才能減少輻射。②2-W 原則：W是導線寬度，即導線間距離不小于兩倍導線寬度；導線應短、寬、均勻、直。導線寬度和拐角不要突變，轉(zhuǎn)彎處應使用圓角。③信號線，電源線應盡可能靠近地線或回線，以減少差模輻射的環(huán)面積。④各信號線中間用地線隔開，有助于減少干擾。

3.2 地線設計是最重要的設計

所謂“地”一般定義為電路或系統(tǒng)零電位參考點，它可以是產(chǎn)品金屬外殼或接地平面。接地類型有懸浮式、單點式、多點式、以及混合式。接地方式最好采用一點接地。減小接地電流首先可將信號地線與機殼地線絕緣，使地環(huán)路阻抗大大增加，將地電壓的大部分降在該絕緣電阻上，減小加到導線上。其次，還可以用切斷地環(huán)路的方法，抑制地環(huán)路干擾。如在兩個電路之間插入隔離變壓器、共模扼流圈或光電耦合器等，均可取得良好效果。為了抑制共模干擾可以把印制電路板的接地層分割出一塊，作為專用“干凈”地。

3.3 屏蔽技術(shù)用來抑制電磁干擾沿著空間傳播

電磁干擾沿著空間的傳播是以電磁場和電磁波的方式進行的。屏蔽原理：當高頻磁場穿過金屬板時將產(chǎn)生很大的渦流，渦流產(chǎn)生的反磁場會抵消原來的磁場。此外，高頻電流具有集膚效應，渦流只在金屬表面流過，所以金屬薄層就能起到良好的高頻磁場屏蔽作用。屏蔽分為電場屏蔽、磁場屏蔽、電磁場屏蔽。高頻磁場屏蔽可采用金屬良導體，例如銅，鋁等。由于必須同時屏蔽電場和磁場，應采用良導體材料，實際應用中采取以下方式進行相關屏蔽。

①連接器外殼采用銅板，鐵板等，厚度約為0.20～0.40mm。②采用封閉式設計，減少孔，洞和縫隙對電磁波的泄漏。③外殼設計彈片結(jié)構(gòu)，使外殼與屏蔽機殼緊密相連，使屏蔽成為屏蔽機箱延伸。RJ45系列某產(chǎn)品為例說明以上電磁兼容性設計之應用（見如下圖1）：

已考量處：①去耦電容減少瞬態(tài)地電流。②采取單

點接地方式，通過端腳接地。③外殼采用良導體銅材料

C2680R-H，薄層0.20mm。

4 端子傳輸性設計

在高頻連接器中彈性端子的設計中，除了端子彈性之考量外，需增加高頻傳輸之考量。可初步歸納為以下幾點：①端子彈性應可靠，保證信號順暢傳輸。②端子間距/形體設計需進行電性分析，滿足高頻傳輸要求。③端子需考量如何提升諸如耐電壓等可靠性能。

據(jù)此，在某高頻連接器設計中，針對網(wǎng)絡端子做以下優(yōu)化：①端子降伏改善?？蛻粲袑掖畏从撑f結(jié)構(gòu)端子降伏，經(jīng)設計折彎結(jié)構(gòu)提高彈性，改善了降伏狀況，并經(jīng)工程分析及正壓力試驗，功能OK。見如下圖2。

正壓力驗證結(jié)果（mgf）：

②端子耐電壓之性能提升?？蛻鬑P新機種要求產(chǎn)品信號間承受2150VDC電壓。經(jīng)對打火處分析主要是端子和PCB孔焊接處易出現(xiàn)打火失效。采用新結(jié)構(gòu)，將端子做成上下兩排可以解決該問題。信號端子間耐電壓可以達到2400VDC以上。見如下圖3和高壓對比測試數(shù)據(jù)。

高壓對比測試數(shù)據(jù)：

③制程能力之提升。現(xiàn)制程中，由于端子和PCB為焊接固持，經(jīng)常出現(xiàn)虛焊、短路等質(zhì)量問題，導致不良PPM很難降低。見圖3舊結(jié)構(gòu)示意圖。為改善該問題，RJ端子和PCB結(jié)合部分采用上下兩排式，且為魚眼結(jié)構(gòu)彈性接觸，取消焊接。見圖3新結(jié)構(gòu)示意圖。

采用新結(jié)構(gòu)方式設計重點在于：①端子彈性部位需接觸可靠且易壓入。②端子分排式排步對高頻性能傳輸之影響。

下表反映某端子分排式排布后，電性分析得出信號對與信號對之間串音之影響程度。

從以上表中可以看出信號對相互影響比較小，推薦較佳設計方案。

5 總結(jié)

隨著電子產(chǎn)品輕、薄、短小、高速化發(fā)展的趨勢，對網(wǎng)絡連接器也不斷有同樣新的要求。本文理論和實踐結(jié)合做一總結(jié)，希望對從事該類電子產(chǎn)品設計者有所幫助。

參考文獻：

[1]翻譯.《高速數(shù)位電路設計及雜訊防制技術(shù)/高頻傳輸線理論》.

[2]翻譯.《電磁兼容性設計探討》.

[3]杜長秀.《連接器設計手冊》.