Conception de PCB et agencement des broches pour les cartes à bord PCIe

La carte d'extension la plus courante dans les ordinateurs de bureau standards et les ordinateurs embarqués est la carte PCIe. Les cartes d'extension PCIe existent sous plusieurs formes et utilisent un connecteur à fente de bord, se montant soit verticalement soit à angle droit le long d'une carte mère. Vous avez également différents types de dispositifs PCIe, tels que les SSD ou les modules qui se branchent sur un connecteur M.2.

Dans cet article, je vais couvrir les exigences mécaniques et électriques pour les cartes d'extension PCIe qui utilisent le connecteur de bord vertical standard généralement trouvé dans les ordinateurs de bureau ou les serveurs. Les cartes d'extension PCIe ont des spécifications mécaniques spécifiques pour la forme et la taille de la carte qui doivent être respectées pour s'ajuster parfaitement dans un connecteur de bord.

Malheureusement, les spécifications mécaniques pour ces connecteurs de bord sont enfouies dans la norme PCIe. Les concepteurs doivent souvent rétroconcevoir le contour d'une carte existante pour l'utiliser dans un PCB de carte PCIe. Dans ce blog, j'ai créé un modèle de carte PCIe que vous pouvez utiliser pour vos projets. Ce modèle est un bon point de départ, car il montre le positionnement mécanique et les exigences en matière de broches pour la carte, mais le contour est ajustable pour correspondre aux dimensions exactes du PCB dont vous avez besoin.

Exigences Mécaniques et Électriques des Cartes PCIe

Les cartes d'extension PCIe utilisent un connecteur de slot PCIe qui impose des contraintes mécaniques et détermine l'intégrité du signal. Voici quelques considérations importantes pour les connecteurs de slot PCIe utilisés dans ces cartes :

• Standardisation des voies : Les connecteurs de slot sont standardisés pour un nombre spécifique de voies (1x, 4x, 8x, 16x et le moins couramment utilisé 32x).
• Compatibilité des générations : Les connecteurs de slot sont évalués pour des générations PCIe spécifiques et sont rétrocompatibles.
• Types de composants : Les connecteurs de slot peuvent être des composants traversants ou des composants CMS, bien que les connecteurs de nouvelle génération tendent à être CMS.
• Connecteurs étendus : Un connecteur de slot plus grand peut accueillir des cartes d'extension plus petites si nécessaire pour la conception.
• Cléage et orientation : Les connecteurs de slot sont clés pour déterminer l'orientation de la carte PCIe lors de l'installation. Ce cléage doit être inclus dans la carte d'extension.

Les cartes d'extension PCIe ont généralement une bride qui se fixe à la carte, lui permettant de se poser contre le châssis d'un ordinateur. Cette bride limite les dimensions des cartes d'extension PCIe standard.

Exemple de connecteurs de slot PCIe

Voici ci-dessous quelques exemples de connecteurs à fentes. Quiconque a ouvert un ordinateur de bureau ou un serveur reconnaîtra ces connecteurs à bord. Les connecteurs présentés sont disponibles chez Samtec, bien que d'autres fournisseurs comme Amphenol proposent également leurs propres connecteurs à bord.

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Connecteurs à bord PCIe de 8 voies (en haut) et de 16 voies (en bas) (Amphenol)

Étant donné la taille et le placement du connecteur à bord et des brides de la carte, une modélisation mécanique est généralement nécessaire pour vérifier la forme et l'ajustement dans le boîtier. Pour les nouvelles générations de PCIe, des simulations SI sont également requises pour vérifier la bande passante du canal et les pertes totales. Au-delà de ces considérations, les concepteurs doivent construire le brochage de la carte pour accommoder le nombre de voies requis.

Nombre de voies dans le brochage de la carte PCIe

Le brochage d'une carte dans un connecteur PCIe dépend du nombre de voies et inclut des interfaces supplémentaires, telles que JTAG. Il y a aussi des ports d'alimentation et de nombreux broches de masse répartis sur le bord de la carte. Les broches ont un pas de 1,0 mm, avec les voies RX et TX de PCIe entrelacées avec des broches de masse.

Tous les brochages de carte à bord PCIe ont un côté A et un côté B. Ces côtés sont étiquetés et montrés dans l'image ci-dessous.

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Les brochages pour les cartes PCIe sont détaillés dans des tableaux. À mesure que le nombre de voies augmente, de nouvelles sections sont ajoutées aux tableaux de brochage.

1x Voies

Numéro de broche	Nom côté B	Fonction	Nom côté A	Fonction
1	+12v	Alimentation +12 volts	PRSNT#1	Détection de présence à chaud
2	+12v	Alimentation +12 volts	+12v	Alimentation +12 volts
3	+12v	Alimentation +12 volts	+12v	Alimentation +12 volts
4	GND	Masse	GND	Masse
5	SMCLK	Horloge SMBus	JTAG2	TCK
6	SMDAT	Données SMBus	JTAG3	TDI
7	GND	Masse	JTAG4	TDO
8	+3.3v	Alimentation +3.3 volts	JTAG5	TMS
9	JTAG1	+TRST#	+3.3v	+ alimentation 3.3 volts
10	3.3Vaux	alimentation 3.3 volts	+3.3v	+ alimentation 3.3 volts
11	WAKE#	Réactivation du lien	PERST#	Signal de réinitialisation PCI-Express
Clé mécanique	N/A	N/A	N/A	N/A
12	RSVD	Réservé	GND	Masse
13	GND	Masse	REFCLK+	CLK de référence (+)
14	TX0_P	Voie de transmission 0 (+)	REFCLK-	CLK de référence (-)
15	TX0_N	Voie de transmission 0 (-)	GND	Masse
16	GND	Masse	RX0_P	Voie de réception 0 (+)
17	PRSNT#2	Détection de connexion à chaud	RX0_N	Voie de réception 0 (-)
18	GND	Masse	GND	Masse

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4x voies

8 voies

16x Voies

Il y a quelques points clés à noter. Les deux rails d'alimentation sont à 12 V et 3,3 V ; ces tensions sont généralement fournies par la carte, donc les cartes PCIe n'embarquent habituellement pas de régulateurs pour ces tensions. Des régulateurs de puissance peuvent être inclus sur les cartes PCIe selon les besoins. Les convertisseurs DC-DC isolés sont rares sur les cartes PCIe, sauf dans des cas d'utilisation spécifiques comme le Power over Ethernet (PoE), qui nécessite 54 V générés sur la carte PCIe.

Dimensions de la carte d'extension PCIe

Les dimensions globales de la carte, à l'exclusion de la zone pour les broches de la carte d'extension, sont définies par la norme PCIe. La taille de la carte ne dépend pas du nombre de voies, mais est liée à la taille de la plaque frontale le long du bord de la carte. Les valeurs dans le tableau ci-dessous sont les valeurs maximales autorisées.

L'image ci-dessous montre les dimensions L et H. Notez que la dimension P est le profil en axe z de la carte PCB, y compris ses composants.

Les cartes à profil bas et les cartes à profil standard peuvent être distinguées par leur face avant. Ces cartes utilisent le même connecteur et le même agencement de broches, mais elles sont conçues avec un assemblage de support/plaque frontale différent, comme le montre l'image ci-dessous.

Un format commun est une carte à huit voies, qui possède 89 broches à la fois sur le côté A et le côté B. Les concepteurs doivent noter que chaque voie RX et TX est entrelacée avec des broches de terre pour maintenir l'impédance différentielle et minimiser la diaphonie entre les voies PCIe.

Directives de disposition pour carte à bord PCIe

Les cartes à bord PCIe fonctionnent de manière similaire à d'autres PCB à haute vitesse. Elles ont généralement une épaisseur standard de 62 mils. Les concepteurs peuvent mélanger et assortir les matériaux pour créer un empilement et inclure des plans d'alimentation et de masse. Les voies PCIe suivent un routage standard lorsqu'elles passent du connecteur de bord sur la carte mère à la zone de la carte.

Le routage vers le connecteur de bord : Les connecteurs PCIe de nouvelle génération devraient idéalement être des connecteurs CMS car cela élimine les stubs qui seraient normalement présents sur les broches traversantes. Typiquement, si une connexion de haute fiabilité est nécessaire, une version à travers peut être utilisée mais avec un routage sur les couches arrière afin de éliminer tous les stubs. Cela aidera à assurer l'intégrité du signal lors de la transition vers la carte à bord PCIe.

Zones d'exclusion de composants : Définissez une zone d'exclusion sur le bord supérieur du connecteur. Cette zone peut contenir des traces mais devrait éviter les composants. Typiquement, les condensateurs de couplage sont placés près de la région de cléage, avec d'autres composants positionnés au-dessus d'eux. Cependant, les condensateurs de couplage pourraient être placés sur la conception de la carte mère/principale avant que les signaux n'atteignent le connecteur de bord PCIe.

Règles de dégagement des bords : Définissez une règle de dégagement du bord de la carte, typiquement d'environ 10 mils. Les dégagements peuvent devoir être augmentés près de la zone de clavetage avec un keepout de bord de carte (voir ci-dessus) pour éviter l'exposition du cuivre le long du bord de la carte, réduisant ainsi le risque de courts-circuits. Garder les dégagements plus importants dans cette zone permet une marge pour tout dommage mécanique qui pourrait survenir le long du bord de la carte.

Mise à la terre : La stratégie de mise à la terre pour une carte PCIe est généralement d'avoir tous les composants sur une seule masse système et d'avoir une masse de châssis séparée pour la face avant de la carte. Une application courante des cartes PCIe est en tant que carte d'extension pour le réseau (cuivre ou fibre). Pour une connexion Ethernet filaire, il y aura une exigence de masse de châssis autour de l'anneau afin de mettre à la terre le blindage sur le bloc de connecteur RJ45.

D'autres applications peuvent également nécessiter une masse de châssis. Généralement, la face avant est connectée à la masse du châssis en raison de sa connexion directe au boîtier de l'appareil, tandis que le reste des composants sur le PCB sera placé sur un plan de masse uniforme.

• En savoir plus sur les stratégies de mise à la terre qui impactent la disposition PCIe

Exemple de modèle de carte à bord PCIe

Le modèle de carte à bord PCIe présenté ci-dessous est dimensionné pour 8 voies dans un connecteur de bord standard. La carte est dimensionnée en dessous des dimensions maximales définies dans la norme PCIe, donc la taille de la carte peut être modifiée selon vos besoins. N'hésitez pas à télécharger ce modèle de carte à bord et à l'utiliser dans vos propres projets.

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