CN1633790A - 电磁总线耦合 - Google Patents

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Abstract

一种连接器被配置成用于数字装置的插入和移除。该连接器具有接触件，它被配置成在将数字装置插入连接器时建立到数字装置上导体的电连接。第一电磁耦合器连接到连接器的至少一个接触件。电磁耦合器被配置成用于在接口处电磁耦合到第二电磁耦合器，该第二电磁耦合器连接到通信总线。

Description

电磁总线耦合
背景
本发明涉及电磁总线耦合。
诸如存储器或输入/输出(I/O)装置的数字装置通常通过插槽连接到通信总线，其中插槽被布线到总线。用户可以根据需要将装置插入插槽中和将其移除。
装置还可以电磁耦合到总线，如美国专利5638402中所提出的。该专利描述了用于电磁耦合总线的连接器的使用，它允许装置模块的带电插入或取出。
描述
以下的每一个附图都仅示出一个或一些实施方案的实例。
图1是主板上的插槽中安装的子插件板和主板的片段的三维示图。
图2是主板上插槽的端部剖视图。
图3是主板上安装的插槽的侧面剖视图。
图4是耦合器的片段的顶部的三维示图。
图5是耦合器的片段的底部的三维示图。
图6是另一个插槽的端部剖视图。
图7是另一个插槽的一部分的端部剖视图。
图8是使用电磁耦合器的多点信号分配系统的框图。
图9是电磁耦合器的电模型。
如图1和2所示，在某些实施中，诸如存储卡的数字装置10可以用插槽16电磁耦合到总线14，插槽16允许数字装置的插入和移除并通过耦合接口12提供插槽下部和总线上部的电磁耦合。其它数字装置11、13可以插入其它的插槽17、19，它们在沿总线长度设置的其它耦合接口23、25处电磁耦合到总线14。随后，承载例如数据、地址和控制信息的信号在数字装置与耦合到总线14的处理器21之间通信。本发明不限于存储卡并可应用于需要通信的任何类型的数字装置中。同样，虽然提及了处理器作为与数字装置通信的一个装置实例，但任何种类的数字部件都可与数字装置通信。
其上安装了处理器21和插槽16、17以及19的主板22可以具有由电介质层分开的多个导电层。例如多点(multi-drop)平行总线的总线14可以包括排列在主板的导电层上的信号、电源和接地导体。信号线(例如，31、33、35)通常沿主板表面上总线的长度平行行进，且接地和电源可以承载在主板的内部导电层上。主板的基准平面可以提供信号线的阻抗控制。
图8和9中示出了多点信号分配系统100的某些实施的其它细节，这将在以下进行讨论。
在每个耦合接口12、23、25处，总线可以包括用于该耦合接口处的每个信号线的电磁耦合器。图1中示出实例耦合器24、26、28位于没有被插槽占据的位置处。每个电磁耦合器可以通过接口与插槽下部上的相应电磁耦合器相互作用，以允许信号在插槽上容纳的数字装置和总线之间通信。各种配置都可用于耦合器，包括线性和Z字形。关于耦合器的可能配置的其它信息将在以下以及2000年11月15日提交的美国专利申请序号09/792502、09/714899和09/792546中进行描述。
如图3所示，可以通过将例如三组插脚36、38、40插入主板中相应的通孔并将这些插脚焊接在各导电层上而将每个插槽安装在主板上，其中导电层可以包括接地和电源层。因此，这三组中的某些插脚可以将接地和电源传递到数字装置，同时其它插脚仅提供机械支持。
每个数字装置都可以支持一个或多个集成电路和其它电路部件41并可以承载与总线线路相对应并沿板的边缘终止于接触垫43处的导体。
插槽16可以类似于常规数字装置或者I/O卡插槽，并可以包括金属导轨50、52。可以将每个金属导轨的上端54弯曲以形成弹簧，在将卡插入插槽时，该弹簧向相应的接触垫43压下。在另一端处，某些金属导轨可以穿过插槽的主体并形成插脚组36、38、40的接地和电源插脚。
将信号传递到卡或传递来自卡的信号的其它金属导轨可以具有端部61、63，它们被焊接到刚性(rigid)耦合器70上，该耦合器70位于插槽16下部中的腔72内。
如图4(从上观看)和图5(从下观看)所示，刚性耦合器的某些实施可以包括核心80，它由诸如刚性环氧树脂层压玻璃片构成，诸如FR4级。(图5和6仅示出刚性耦合器的全部宽度的一部分。图6没有示出耦合器的层的细节。)刚性耦合器的上面和下面可以具有金属化层73、75。下金属化层75可以具有电磁耦合器的电磁耦合器导轨97、99、101(如图5所示)。下金属化层可以通过通路79、81被机械耦合到上金属化层(但与其电绝缘)(且不与上金属化层的其余部分接触)，通路79、81形成到上金属化层中形成的焊盘83、85的导电链路。
刚性耦合器的上金属化层73可以提供用于刚性耦合器的下部之上的电磁耦合导轨的阻抗控制的基准平面。在上金属化层上，焊料掩模82可以具有小孔，它限定一定的区域，在该区域处形成金属导轨的末端50、52与焊盘83、85之间的焊料连接。(为了更加清楚，图4中没有示出焊料接合。)下金属化层也可以具有焊料掩模84。焊料掩模层可以用作电磁耦合器中的电介质。电介质材料的特性对于耦合器性能是很重要的。焊料掩模层也可以防止主板上与导轨的直接电连接。
如图2所示，位置间隔物88可以置于腔72内，使得其上表面与插槽的底板73接触并使得其下表面与刚性间隔物的焊料掩模接触。该间隔物可以具有仔细控制的厚度74，从而在将刚性耦合器安装到插槽上并将插槽安装到主板上时，耦合器导轨97、99、101与主板的上表面92上的电磁耦合器导轨平行并与其相隔预定距离90。间隔物88可以被设计成防止刚性耦合器被焊接到插槽体上时刚性耦合器的垂直位置的任意“漂移”。
为了在接口12、23、25处实现所需的电磁耦合，就应消除各耦合器导轨之间任何可能的气隙。在模制过程期间主板的弯曲和插槽体的收缩会引起各耦合器导轨之间的气隙。通过在安装插槽之前将厚度86的粘性材料89应用于刚性耦合器的下部或者主板的上部或者这两者上，在安装时施加到插槽上的力就会使得粘性材料被挤压并流动以便填充气隙。粘性材料被选为一种材料，它(a)具有与主板的基板和刚性耦合器的介电常数相类似的介电常数，(b)具有将实现气隙填充的粘性，其结合强度是次要的，(c)具有良好的温度稳定性以及经受与将插脚焊接到主板上有关的热量的能力，以及(d)通过加热而与主板分开以允许安装的返工。
为了构成插槽，可以以常规方式形成插槽体100，金属导轨嵌入在主体中。高温焊球可以置于刚性耦合器的上表面上。位置间隔物可以置于腔内。刚性耦合器可以置于腔内触及间隔物，且可以施加夹紧力以便将刚性耦合器保持在与间隔物的下面相对的位置。可以施加热量以使焊料重新流动。在形成插槽后，可以通过施加一定厚度的粘性材料，用插脚组插入主板的通孔中从而将插槽置于主板上，并将插脚焊接到主板上，而将插槽贴附到主板上。
在使用中，可以将数字装置重复地插入插槽和从插槽移除。一旦插入，则信号可以通过电磁耦合的接口传递。
如图8和9所示，多点总线系统的某些实施可以包括装置110和其它装置120、130和140。装置110可以具有耦合到装置110的总线112。装置120、130和140的每一个都可以分别包括总线122、132和142，以及部件124、134和144。总线122、132和142可以分别耦合到部件124、134和144。
装置120、130和140的每一个都分别通过电磁耦合器160、170和180耦合到总线112。电磁耦合器160、170和180分别将总线122、132和142耦合到总线112，分别允许部件124、134和144与装置110通信。将每个装置120、130和140电磁耦合到总线112形成了数据通道，它们具有基本一致的电气属性用于在装置110、120、130和140之间传输信号，并允许使用相对较高频率的信令而不显著地增加传输线效应引起的噪声。
虽然通过电磁耦合到总线112的三个装置120、130和140进行说明，但总线112可以具有任何合适的长度并可以容纳任意合适数量的装置以电磁耦合到总线112上。对于一个实施例，总线112约50厘米(cm)长，允许多达16个装置，每一个装置都沿约1cm的长度的总线112被电磁耦合，其中每个装置都间隔约1.5cm的间距。
每个装置120、130和140可以被固定地耦合到总线112上，或者可以被可移除地耦合到总线112上。当装置120、130和140被电磁耦合到总线112上时，每个装置120、130和140可以被添加到总线112上或从总线112上移除，而对总线112的通信带宽影响最小。
总线112、122、132和142的每一个都可以包括任意合适数量的任意合适导电材料的线路。装置110、120、130和140的每一个都可以包括任何合适的电路以执行任何合适的功能。作为一个实例，例如，装置110可以包括存储器控制器且装置120、130和140的每一个都可以包括存储器模块。装置110、120、130和140可以使用任何合适的信令方案在总线112、122、132和142上通信。用于一个实施例的每个装置110、120、130和140使用差分信号对通信，以便有助于最小化功率和电磁干扰(EMI)并有助于增加抗扰度。
每个部件122、132和142都可以包括任何合适的电路。用于一个实施例的每个部件122、132和142都用作每个装置120、130和140的接口以便与装置110通信。
虽然在多点信号分配系统100中进行说明，但用于另一个实施例的每个装置120、130和140都可以以点对点的方式通过将每个装置120、130和140电磁耦合到与装置110耦合的各总线而与装置110通信。
对于一个实施例，如图8所示，电磁耦合器160由总线112的长度的一部分162、总线122的长度的一部分164以及部分162和164之间的电介质166构成。电磁耦合器170由总线112的长度的一部分172、总线132的长度的一部分174以及部分172和174之间的电介质176构成。电磁耦合器180由总线112的长度的一部分182、总线142的长度的一部分184以及部分182和184之间的电介质186构成。每个电介质166、176和186都可以包括任何合适的电介质材料，诸如但不限于，空气、各种聚酰亚胺、各种环氧树脂、各种聚合材料、各种塑料、各种陶瓷、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、诸如E.I.du Pont de Nemous and Company of Wilmington，Delaware的Teflon、World Properities，Inc.of Lincolnwood，Illinois的RT/Duroid的聚四氟乙烯(PTFE)，和或氧化铝。每个电磁耦合器160、170和180可以被形成为具有任何合适的耦合系数，诸如在从约0.15到约0.45的范围内。
对于一个实施例，图9示出一种电气模块100，它用于将总线112的单个导电线路212与总线122的单个导电线路222耦合的电磁耦合器160，用于将总线112的线路212与总线132的单个导电线路232耦合的电磁耦合器170，以及用于将总线112的线路212与总线142的单个导电线路242耦合的电磁耦合器180。
线路212由耦合于远离装置110的线路212的端部和合适电压参考(诸如接地)之间的平行电阻器216终止。一个实施例的电阻器216具有近似等于线路212的特性阻抗的电阻。线路222由耦合于远离装置120的线路222的端部与电压参考之间的平行电阻器226终止。电阻器226具有近似等于线路222的特性阻抗的电阻。线路232由耦合于远离装置130的线路232的端部与电压参考之间的平行电阻器236终止。电阻器236具有近似等于线路232的特性阻抗的电阻。线路242由耦合于远离装置140的线路242的端部与电压参考之间的平行电阻器246终止。电阻器246具有近似等于线路242的特性阻抗的电阻。线路212、222、232和242的每一个都由用于发送相对较高频率信号的匹配阻抗终止。
当装置110在线路212上发送信号时，由于通过驱动线路212上的信号产生的电磁场，在线路222、232和242上分别通过电磁耦合器160、170和180感应相应的信号。同样，当部件124、134或144分别在线路222、232或242上发送信号时，在线路212上感应相应的信号。
线路222、232和242的每一个都仅吸收线路212上驱动的相应信号的部分能量。每个线路222、232和242分别用电阻器226、236和246终止接收到的能量。同样，线路212仅吸收线路222、232和242上驱动的相应信号的部分能量。每个电磁耦合器160、170和180都可以根据例如驱动功率的量和电磁耦合器的耦合系数来吸收任何合适量的功率。一个实施例的每个电磁耦合器160、170和180吸收少于约百分之一的信号功率，其中该信号是耦合到电磁耦合器的任何线路上驱动的。因为装置120、130和140的电容性负载和它们的各线路222、232和242相互隔离并与线路212隔离，所以可以在线路212上保持通常恒定的阻抗环境并最小化或避免线路212、222、232和242上通信系统寄生效应的任何干扰或影响。
一个实施例的总线112被安装或集成在电路板上，且装置110被安装或耦合到电路板上，从而装置110被电耦合到总线112。通过相对于总线部分162、172和182分别放置总线部分164、174和184来形成每个电磁耦合器160、170和180，其中电介质166、176和186位于电磁耦合部分之间。
以下的一个或多个是本发明的优点。与常规主板上安装的常规非电磁耦合的插槽相比，插槽无需在主板上占据更多空间(或要求从插槽到插槽的任何更多间隔)。无需重新分配主板上的空间以容纳插槽。可以使用现存的存储器部件封装配置。插槽是刚性的，因此提供可靠且稳定的机械性能。可以简单且低成本地制造和安装插槽。
虽然以上描述提及某些实施，但其它的实施也在以下权利要求书的范围内。
例如，如果金属导轨被制成足够短并具有足够低的型面弹性接触，刚性耦合器上无需基准平面。可以通过模拟优化弹簧的长度，从而将最小化对高速信号的上升时间的影响。弹簧的确切长度可以按对输出上升时间的系统需要以及对输入上升时间的可用IC技术而确定。通过这种优化，金属弹簧的不受控制的阻抗将具有对电气性能的有限的总体影响。否则，必须采取用于完全阻抗控制的措施，诸如插槽框架内模制的基准平面。
此外，由于摩擦力(垂直力)被加压到弹簧和刚性耦合器之间的互连上，可用改变弹簧形状以降低数字装置插入期间的摩擦力，该摩擦力会增加焊球损伤的可能性。
在膝上计算机和某些服务器中，常常平行于主板安装数字装置以使得主板上卡的突出最小。如图6所示，在某些实施中，可以用水平而非垂直朝向的插入槽121构造低型面型式的插槽。插槽的下部和刚性耦合器类似于之前描述的，但连接器两侧上的金属导轨123、125可以具有不同的轮廓，如图所示。
如图7所示，在刚性耦合器的可选实施中，代替将金属导轨的端部焊接到耦合器的上表面上以及通过通路建立到刚性耦合器的下部上的耦合器导轨的电连接，金属导轨可以被焊接入核心中的印刷通孔140、142并且是以建立到耦合器导轨146的直接接触的方式。这种结构可以避免前述金属导轨端部和刚性连接器上部之间的焊接接点的可能的可靠性问题。
虽然以上实施针对存储器卡和计算机主板，但插槽结构可以用于可插入装置被电耦合器到信号通信总线的任何环境中。

Claims (26)

1.一种装置，其特征在于，包括：
连接器，它被配置成用于数字装置的插入和移除，所述连接器具有接触件，该接触件被排列成在将数字装置插入连接器时建立到数字装置上导体的电连接，以及
第一电磁耦合器，它被连接到所述连接器的至少一个接触件，所述电磁耦合器被配置成在接口处电磁耦合到第二电磁耦合器，所述第二电磁耦合器被连接到通信总线。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述连接器包括插槽。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述插槽被配置成接纳存储器卡。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述接触件包括弹簧接触件。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述接触件被配置成传送信号。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述数字装置包括存储器卡。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述数字装置包括I/O卡。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述连接器包括刚性耦合元件，且所述第一电磁耦合器形成于所述刚性耦合元件的表面上。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述连接器包括插槽体，它具有被配置成接纳数字装置的槽缝和接纳刚性耦合元件的腔。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述连接器包括间隔物，它限定腔壁和刚性耦合元件之间的固定距离。
11.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括第一电磁耦合器上的粘性液体。
12.如权利要求8所述的装置，其特征在于，连接器的接触件被焊接在刚性耦合元件表面上的焊盘处，且该焊盘通过刚性耦合元件中的通路被电连接到第一电磁耦合器。
13.如权利要求8所述的装置，其特征在于，连接器的接触件被焊接到刚性耦合元件中的通孔。
14.如权利要求8所述的装置，其特征在于，刚性耦合元件包括核心以及该核心的两个面上的金属化层。
15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，刚性耦合元件还包括金属化层上的焊料掩模。
16.一种系统，其特征在于，包括：
电路板，
总线，它被排列在电路板上，
电磁耦合器，它被限定在沿总线的位置处，
插槽，它具有电磁耦合器和用于连接到装置板的接触垫片的接触件，该插槽被安装成限定出接口，通过这些接口可以在沿总线限定的电磁耦合器与插槽上的电磁耦合器之间产生信号的电磁耦合。
17.如权利要求16所述的系统，其特征在于，所述插槽通过插脚被安装在所述板上。
18.如权利要求16所述的系统，其特征在于，每个插槽都具有用于由插槽的接触件传送的每一组信号的电磁耦合器。
19.如权利要求16所述的系统，其特征在于，至少部分电磁耦合器中的每一个都具有锯齿形配置。
20.如权利要求16所述的系统，其特征在于，还包括处理器，它被安装在所述板上并被耦合到总线。
21.一种系统，其特征在于，包括：
电路板，
总线，它被排列在电路板上，
电磁耦合器，它被限定在沿总线的位置处，
插槽，它具有电磁耦合器和用于连接到装置板的接触垫片的接触件，所述插槽被安装成限定出接口，通过这些接口可以在沿总线限定的电磁耦合器与插槽上的电磁耦合器之间产生信号的电磁耦合，以及
装置板，它被安装在插槽内。
22.如权利要求21所述的系统，其特征在于，所述装置板包括存储器装置或者I/O装置。
23.一种方法，其特征在于，包括：
沿总线传导数字信号，
在沿总线的位置处，将数字信号电磁耦合到插槽，
在插槽内，将数字信号传导到接触件，以及
将信号从接触件传导到被插入插槽的板。
24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述信号包括存储器地址和数据信号。
25.一种方法，其特征在于，包括：
将插槽安装在电路板上电磁总线耦合器的位置处，以及
用部件组装电路板，所述部件包括耦合到由电磁总线耦合器服务的总线的处理器。
26.如权利要求25所述的方法，其特征在于，还包括将数字装置插入插槽中。
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