PCB-Design und Pinbelegung für PCIe-Steckkarten

Die gängigste Erweiterungskarte in Standard-Desktopcomputern und eingebetteten Computern ist die PCIe-Karte. PCIe-Erweiterungskarten gibt es in mehreren Formfaktoren und verwenden einen Edge-Slot-Steckverbinder, der entweder vertikal oder im rechten Winkel an einem Motherboard montiert wird. Es gibt auch verschiedene Typen von PCIe-Geräten, wie SSDs oder Module, die in einen M.2-Anschluss gesteckt werden.

In diesem Artikel werde ich die mechanischen und elektrischen Anforderungen für PCIe-Erweiterungskarten behandeln, die den standardmäßigen vertikalen Edge-Connector verwenden, wie er typischerweise in Desktop-Computern oder Servern zu finden ist. PCIe-Erweiterungskarten haben spezifische mechanische Spezifikationen für Kartenform und -größe, die eingehalten werden müssen, um passgenau in einen Edge-Connector zu passen.

Leider sind die mechanischen Spezifikationen für diese Edge-Connectoren im PCIe-Standard vergraben. Designer müssen oft die Umrisse einer bestehenden Karte rückentwickeln, um sie in einer PCIe-Karten-PCB zu verwenden. In diesem Blog habe ich eine PCIe-Karten-Vorlage erstellt, die Sie für Ihre Projekte verwenden können. Diese Vorlage ist ein guter Ausgangspunkt, da sie die mechanische Verriegelung und die Pin-Anforderungen für die Karte zeigt, aber der Umriss ist anpassbar, um genau die PCB-Abmessungen zu treffen, die Sie benötigen.

PCIe-Karten Mechanische und Elektrische Anforderungen

PCIe-Erweiterungskarten verwenden einen PCIe-Slot-Steckverbinder, der mechanische Einschränkungen auferlegt und die Signalintegrität bestimmt. Unten sind einige wichtige Überlegungen für PCIe-Slot-Steckverbinder aufgeführt, die in diesen Karten verwendet werden:

• Lane-Standardisierung: Slot-Steckverbinder sind für eine spezifische Anzahl von Lanes (1x, 4x, 8x, 16x und das weniger häufig verwendete 32x) standardisiert.
• Generationenkompatibilität: Slot-Steckverbinder sind für spezifische PCIe-Generationen ausgelegt und rückwärtskompatibel.
• Komponententypen: Slot-Steckverbinder können Durchsteckkomponenten oder SMD-Komponenten sein, wobei neuere Generationen von Steckverbindern tendenziell SMD sind.
• Erweiterte Steckverbinder: Ein größerer Slot-Steckverbinder kann kleinere Erweiterungskarten aufnehmen, falls dies vom Design her erforderlich ist.
• Keying und Orientierung: Slot-Steckverbinder sind gekennzeichnet, um die Orientierung der PCIe-Karte während der Installation zu bestimmen. Diese Kennzeichnung muss in der Erweiterungskarte enthalten sein.

PCIe-Erweiterungskarten haben typischerweise eine Flansch, der an der Karte befestigt wird, sodass sie am Gehäuse eines Computers anliegen kann. Dieser Flansch begrenzt die Abmessungen von standardmäßigen PCIe-Erweiterungskarten.

Beispiel PCIe-Slot-Steckverbinder

Einige Beispiel-Slot-Steckverbinder sind unten dargestellt. Jeder, der schon einmal einen Desktop-Computer oder Server geöffnet hat, wird diese Randsteckverbinder erkennen. Die gezeigten Steckverbinder sind von Samtec erhältlich, obwohl andere Anbieter wie Amphenol ihre eigenen Randsteckverbinder anbieten.

8-Lane (oben) und 16-Lane (unten) PCIe-Randsteckverbinder (Amphenol)

Aufgrund der Größe und Platzierung des Randsteckverbinders sowie der Kartenflansche ist normalerweise eine mechanische Modellierung notwendig, um die Form und Passung innerhalb des Gehäuses zu überprüfen. Für neuere Generationen von PCIe sind auch SI-Simulationen erforderlich, um die Kanalbandbreite und die Gesamtverluste zu verifizieren. Über diese Überlegungen hinaus müssen die Designer das Karten-Pinout konstruieren, um die erforderliche Anzahl von Lanes unterzubringen.

Anzahl der Lanes im PCIe-Karten-Pinout

Das Karten-Pinout in einem PCIe-Steckverbinder hängt von der Anzahl der Lanes ab und umfasst zusätzliche Schnittstellen, wie JTAG. Es gibt auch Stromanschlüsse und zahlreiche Massepins, die über den Kartenrand verteilt sind. Die Pins haben einen 1,0 mm Abstand, wobei PCIe RX- und TX-Lanes mit Massepins abwechselnd angeordnet sind.

Alle PCIe-Randkarten-Pinouts haben eine A-Seite und eine B-Seite. Diese Seiten sind beschriftet und im Bild unten dargestellt.

Die Pinbelegungen für PCIe-Karten sind in Tabellen detailliert aufgeführt. Mit zunehmender Anzahl von Lanes werden neue Abschnitte zu den Pinbelegungstabellen hinzugefügt.

1x Lanes

4x Lanes

8x Leitungen

16x Lanes

Es gibt einige wichtige Punkte zu beachten. Die beiden Stromschienen liegen bei 12 V und 3,3 V; diese werden typischerweise von der Karte geliefert, sodass PCIe-Karten normalerweise keine Regler für diese Spannungen tragen. Spannungsregler können bei Bedarf auf PCIe-Karten eingebaut werden. Isolierte DC-DC-Wandler sind auf PCIe-Karten selten, außer in spezifischen Anwendungsfällen wie Power over Ethernet (PoE), das 54 V erzeugt auf der PCIe-Karte benötigt.

PCIe-Erweiterungskarten-Platinengröße

Die Gesamtabmessungen der Platine, ausgenommen der Bereich für die Randkartenstifte, werden durch den PCIe-Standard definiert. Die Platinengröße hängt nicht von der Anzahl der Lanes ab, sondern steht im Zusammenhang mit der Größe der Blende entlang des Kartenrandes. Die Werte in der untenstehenden Tabelle sind die maximal zulässigen Werte.

Das Bild unten zeigt die L- und H-Abmessungen. Beachten Sie, dass die B-Abmessung das Z-Achsen-Profil der Leiterplatte einschließlich ihrer Komponenten ist.

Niedrigprofilkarten und Standardprofilkarten können anhand ihrer Blende unterschieden werden. Diese Karten verwenden denselben Stecker und Pinbelegung, sind jedoch mit unterschiedlichen Halterungen/Blendenkonstruktionen entworfen, wie im Bild unten gezeigt.

Ein gängiger Formfaktor ist eine Acht-Lane-Karte, die auf beiden Seiten, A und B, 89 Pins hat. Designer sollten beachten, dass jede RX- und TX-Leitung mit Erdungspins abgewechselt ist, um die differentielle Impedanz zu halten und Übersprechen zwischen PCIe-Leitungen zu minimieren.

PCIe-Edge-Card-Layout-Richtlinien

PCIe-Edge-Karten funktionieren ähnlich wie andere Hochgeschwindigkeits-PCBs. Sie haben typischerweise eine Standarddicke von 62 mil. Designer können Materialien kombinieren, um einen Stack-up zu erstellen und Strom- und Masseebenen einzubeziehen. PCIe-Lanes folgen einer standardisierten Verlegung, wenn sie vom Edge-Connector auf dem Motherboard zum Kartenbereich übergehen.

Verlegung in den Edge-Connector: Neuere Generationen von PCIe-Connectoren sollten idealerweise SMD-Connectoren sein, da dies Stubs eliminiert, die normalerweise bei Durchsteckpins vorhanden wären. Typischerweise kann, wenn eine hochzuverlässige Verbindung benötigt wird, eine Durchsteckversion verwendet werden, aber mit Verlegung auf den hinteren Lagen, um alle Stubs zu eliminieren. Dies hilft, die Signalintegrität beim Übergang in die PCIe-Edge-Karte zu gewährleisten.

Komponentenfreihaltungsbereiche: Definieren Sie einen Freihaltungsbereich am oberen Rand des Connectors. Dieser Bereich kann Leiterbahnen enthalten, sollte aber Komponenten vermeiden. Typischerweise werden Kopplungskondensatoren in der Nähe der Kodierungsregion platziert, mit anderen Komponenten darüber positioniert. Jedoch könnten Kopplungskondensatoren auch im Motherboard-/Hauptplatinen-Design platziert werden, bevor die Signale den PCIe-Edge-Connector erreichen.

Randabstandsregeln: Definieren Sie eine Regel für den Randabstand der Platine, typischerweise etwa 10 mils. In der Nähe des Schlüsselbereichs mit einem Randabstandshalter (siehe oben) müssen die Abstände möglicherweise erhöht werden, um das Freilegen von Kupfer am Platinenrand zu verhindern, was das Risiko von Kurzschlüssen verringert. Größere Abstände in diesem Bereich bieten einen Spielraum für mögliche mechanische Beschädigungen, die am Kartenrand auftreten können.

Erdung: Die Erdungsstrategie für eine PCIe-Karte besteht in der Regel darin, alle Komponenten über einen einzigen Systemgrund zu haben und einen separaten Chassisgrund für die Frontplatte der Karte zu haben. Eine häufige Anwendung von PCIe-Karten ist als Erweiterungskarte für Netzwerke (Kupfer oder Glasfaser). Für eine verkabelte Ethernet-Verbindung wird ein Chassisgrund um den Ring herum benötigt, um die Abschirmung am RJ45-Anschlussblock zu erden.

Andere Anwendungen können ebenfalls einen Chassisgrund erfordern. Allgemein ist die Frontplatte aufgrund ihrer direkten Verbindung zum Gerätegehäuse mit dem Chassisgrund verbunden, während der Rest der Komponenten auf der PCB über einer einheitlichen Massefläche sitzt.

• Erfahren Sie mehr über Erdungsstrategien, die das PCIe-Layout beeinflussen

Beispiel für eine PCIe-Edge-Card-Vorlage

Die unten gezeigte PCIe-Edge-Card-Vorlage ist für 8x Lanes in einem Standard-Edge-Connector dimensioniert. Die Karte ist kleiner als die maximalen Abmessungen, die im PCIe-Standard definiert sind, sodass die Kartengröße nach Belieben geändert werden kann. Fühlen Sie sich frei, diese Edge-Card-Vorlage herunterzuladen und in Ihren eigenen Projekten zu verwenden.

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