Diseño de PCB y Distribución de Pines para Tarjetas de Borde PCIe

La tarjeta de expansión más común en computadoras de escritorio estándar y computadoras embebidas es la tarjeta PCIe. Las tarjetas de expansión PCIe vienen en múltiples factores de forma y utilizan un conector de ranura de borde, montándose verticalmente o en ángulo recto a lo largo de una placa base. También tienes diferentes tipos de dispositivos PCIe, como SSDs o módulos que se conectan en un conector M.2.

En este artículo, cubriré los requisitos mecánicos y eléctricos para las tarjetas de expansión PCIe que usan el conector de borde vertical estándar, típicamente encontrado en computadoras de escritorio o servidores. Las tarjetas de expansión PCIe tienen especificaciones mecánicas específicas para la forma y tamaño de la tarjeta que deben seguirse para encajar perfectamente dentro de un conector de borde.

Lamentablemente, las especificaciones mecánicas para estos conectores de borde están enterradas en el estándar PCIe. Los diseñadores a menudo tienen que ingeniar a la inversa el contorno de una tarjeta existente para usarlo en un PCB de tarjeta PCIe. En este blog, he creado una plantilla de tarjeta PCIe que puedes usar para tus proyectos. Esta plantilla es un buen punto de partida, ya que muestra el enclavamiento mecánico y los requisitos de los pines para la tarjeta, pero el contorno es ajustable para coincidir con las dimensiones exactas del PCB que necesitas.

Requisitos Mecánicos y Eléctricos de la Tarjeta PCIe

Las tarjetas de expansión PCIe utilizan un conector de ranura PCIe que impone restricciones mecánicas y determina la integridad de la señal. A continuación, se presentan algunas consideraciones importantes para los conectores de ranura PCIe utilizados en estas tarjetas:

• Estandarización de Carriles: Los conectores de ranura están estandarizados para un número específico de carriles (1x, 4x, 8x, 16x y el menos común 32x).
• Compatibilidad Generacional: Los conectores de ranura están calificados para generaciones específicas de PCIe y son retrocompatibles.
• Tipos de Componentes: Los conectores de ranura pueden ser componentes through-hole o componentes SMD, aunque los conectores de generaciones más nuevas tienden a ser SMD.
• Conectores Expandidos: Un conector de ranura más grande puede acomodar tarjetas de expansión más pequeñas si el diseño lo requiere.
• Clavijas y Orientación: Los conectores de ranura tienen clavijas para determinar la orientación de la tarjeta PCIe durante la instalación. Esta clavija debe incluirse en la tarjeta de expansión.

Las tarjetas de expansión PCIe típicamente tienen una pestaña que se adjunta a la tarjeta, permitiéndole apoyarse contra el chasis de un ordenador. Esta pestaña limita las dimensiones de las tarjetas de expansión PCIe estándar.

Ejemplo de Conectores de Ranura PCIe

A continuación se muestran algunos ejemplos de conectores de ranura. Cualquiera que haya abierto un ordenador de sobremesa o servidor reconocerá estos conectores de borde. Los conectores mostrados están disponibles de Samtec, aunque otros proveedores como Amphenol ofrecen sus propios conectores de borde.

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Conectores de borde PCIe de 8 carriles (arriba) y 16 carriles (abajo) (Amphenol)

Dado el tamaño y la colocación del conector de borde y las aletas de la tarjeta, la modelación mecánica suele ser necesaria para verificar la forma y el ajuste dentro del recinto. Para las nuevas generaciones de PCIe, también se requieren simulaciones de SI para verificar el ancho de banda del canal y las pérdidas totales. Más allá de estas consideraciones, los diseñadores deben construir el pinout de la tarjeta para acomodar el número requerido de carriles.

Número de Carriles en el Pinout de la Tarjeta PCIe

El pinout de una tarjeta en un conector PCIe depende del número de carriles e incluye interfaces adicionales, como JTAG. También hay puertos de alimentación y numerosos pines de tierra distribuidos a lo largo del borde de la tarjeta. Los pines tienen un paso de 1.0 mm, con carriles PCIe RX y TX intercalados con pines de tierra.

Todos los pinouts de tarjetas de borde PCIe tienen un lado A y un lado B. Estos lados están etiquetados y se muestran en la imagen a continuación.

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Los detalles de los pines para tarjetas PCIe se encuentran en tablas. A medida que aumenta el número de carriles, se añaden nuevas secciones a las tablas de pines.

1x Carriles

Número de Pin	Nombre Lado B	Función	Nombre Lado A	Función
1	+12v	Alimentación de +12 voltios	PRSNT#1	Detección de presencia de conexión en caliente
2	+12v	Alimentación de +12 voltios	+12v	Alimentación de +12 voltios
3	+12v	Alimentación de +12 voltios	+12v	Alimentación de +12 voltios
4	GND	Tierra	GND	Tierra
5	SMCLK	Reloj SMBus	JTAG2	TCK
6	SMDAT	Datos SMBus	JTAG3	TDI
7	GND	Tierra	JTAG4	TDO
8	+3.3v	Alimentación de +3.3 voltios	JTAG5	TMS
9	JTAG1	+TRST#	+3.3v	+3.3 voltios de potencia
10	3.3Vaux	3.3v voltios de potencia	+3.3v	+3.3 voltios de potencia
11	WAKE#	Reactivación de enlace	PERST#	Señal de reinicio PCI-Express
Llave mecánica	N/A	N/A	N/A	N/A
12	RSVD	Reservado	GND	Tierra
13	GND	Tierra	REFCLK+	CLK de referencia (+)
14	TX0_P	Carril TX 0 (+)	REFCLK-	CLK de referencia (-)
15	TX0_N	Carril TX 0 (-)	GND	Tierra
16	GND	Tierra	RX0_P	Carril RX 0 (+)
17	PRSNT#2	Detección de conexión en caliente	RX0_N	Carril RX 0 (-)
18	GND	Tierra	GND	Tierra

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4x Carriles

8x Líneas

16x Carriles

Hay algunos puntos clave a tener en cuenta. Los dos rieles de alimentación están a 12 V y 3.3 V; estos suelen ser suministrados fuera de la tarjeta, por lo que las tarjetas PCIe generalmente no llevan reguladores para estos voltajes. Los reguladores de potencia pueden incluirse en las tarjetas PCIe según sea necesario. Los convertidores DC-DC aislados son raros en las tarjetas PCIe, excepto en casos de uso específicos como Power over Ethernet (PoE), que requiere 54 V generados en la tarjeta PCIe.

Tamaño de la Tarjeta de Expansión PCIe

Las dimensiones generales de la tarjeta, excluyendo el área para los pines de borde de tarjeta, están definidas por el estándar PCIe. El tamaño de la tarjeta no depende del número de carriles, sino que está relacionado con el tamaño de la placa frontal a lo largo del borde de la tarjeta. Los valores en la tabla a continuación son los valores máximos permitidos.

La imagen a continuación muestra las dimensiones L y A. Note que la dimensión P es el perfil en el eje z de la PCB, incluyendo sus componentes.

Las tarjetas de perfil bajo y las tarjetas de perfil estándar se pueden distinguir por su placa frontal. Estas tarjetas usan el mismo conector y disposición de pines, pero están diseñadas con diferentes ensamblajes de soporte/placa frontal, como se muestra en la imagen a continuación.

Un formato común es una tarjeta de ocho carriles, que tiene 89 pines tanto en el lado A como en el B. Los diseñadores deben tener en cuenta que cada carril RX y TX está intercalado con pines de tierra para mantener la impedancia diferencial y minimizar el diafonía entre los carriles PCIe.

Guía de Diseño para Tarjetas de Borde PCIe

Las tarjetas de borde PCIe funcionan de manera similar a otras PCBs de alta velocidad. Típicamente tienen un grosor estándar de 62 mil. Los diseñadores pueden combinar y emparejar materiales para crear un apilado e incluir planos de potencia y tierra. Las pistas de PCIe siguen un enrutamiento estándar a medida que transitan desde el conector de borde en la placa base hasta el área de la tarjeta.

Enrutamiento hacia el conector de borde: Los conectores PCIe de nueva generación idealmente deberían ser conectores SMD, ya que esto elimina los muñones que normalmente estarían presentes en los pines pasantes. Típicamente, si se necesita una conexión de alta fiabilidad, se puede usar una versión pasante pero con enrutamiento en las capas traseras para eliminar cualquier muñón. Esto ayudará a asegurar la integridad de la señal durante la transición hacia la tarjeta de borde PCIe.

Áreas de exclusión de componentes: Defina un área de exclusión en el borde superior del conector. Esta área puede contener pistas pero debe evitar componentes. Típicamente, condensadores de acoplamiento se colocan cerca de la región de codificación, con otros componentes posicionados encima de ellos. Sin embargo, los condensadores de acoplamiento podrían colocarse en el diseño de la placa base/placa principal antes de que las señales alcancen el conector de borde PCIe.

Reglas de margen de borde: Defina una regla de margen de borde de tarjeta, típicamente alrededor de 10 mils. Los márgenes pueden necesitar ser aumentados cerca del área de codificación con un margen de prohibición en el borde de la tarjeta (ver arriba) para prevenir la exposición del cobre a lo largo del borde de la tarjeta, reduciendo el riesgo de cortocircuitos. Mantener los márgenes más grandes en esta área proporciona una tolerancia para cualquier daño mecánico que pueda surgir a lo largo del borde de la tarjeta.

Estrategia de puesta a tierra: La estrategia de puesta a tierra para una tarjeta PCIe es típicamente tener todos los componentes sobre una única tierra del sistema y tener una tierra de chasis separada para la placa frontal de la tarjeta. Una aplicación común de las tarjetas PCIe es como una tarjeta de expansión para redes (cobre o fibra). Para una conexión Ethernet cableada, habrá un requisito de tierra de chasis alrededor del anillo para conectar a tierra la cubierta en el bloque conector RJ45.

Otras aplicaciones también pueden requerir una tierra de chasis. Generalmente, la placa frontal está conectada a la tierra del chasis debido a su conexión directa con el recinto del dispositivo, mientras que el resto de los componentes en el PCB se situarán sobre un plano de tierra uniforme.

• Aprenda más sobre estrategias de puesta a tierra que impactan en el diseño de PCIe

Ejemplo de Plantilla de Tarjeta de Borde PCIe

La plantilla de tarjeta de borde PCIe mostrada a continuación está dimensionada para 8x carriles en un conector de borde estándar. La tarjeta está dimensionada por debajo de las dimensiones máximas definidas en el estándar PCIe, por lo que el tamaño de la tarjeta se puede cambiar según lo considere adecuado. Siéntase libre de descargar esta plantilla de tarjeta de borde y usarla en sus propios proyectos.

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