Progettazione PCB e Pinout per Schede di Bordo PCIe

La scheda add-in più comune nei computer desktop standard e nei computer embedded è la scheda PCIe. Le schede add-in PCIe sono disponibili in più formati e utilizzano un connettore a slot di bordo, montandosi verticalmente o ad angolo retto lungo una scheda madre. Esistono anche diversi tipi di dispositivi PCIe, come gli SSD o i moduli che si collegano a un connettore M.2.

In questo articolo, coprirò i requisiti meccanici ed elettrici per le schede add-in PCIe che utilizzano il connettore a bordo verticale standard tipicamente trovato nei computer desktop o nei server. Le schede add-in PCIe hanno specifiche meccaniche precise per la forma e la dimensione della scheda che devono essere seguite per adattarsi perfettamente all'interno di un connettore a bordo.

Sfortunatamente, le specifiche meccaniche per questi connettori a bordo sono sepolte nello standard PCIe. I progettisti spesso devono ingegnerizzare al contrario il contorno di una scheda esistente per utilizzarla in una scheda PCB PCIe. In questo blog, ho creato un template per scheda PCIe che puoi utilizzare per i tuoi progetti. Questo template è un buon punto di partenza, poiché mostra il posizionamento meccanico e i requisiti dei pin per la scheda, ma il contorno è regolabile per corrispondere esattamente alle dimensioni del PCB di cui hai bisogno.

Requisiti Meccanici ed Elettrici della Scheda PCIe

Le schede di espansione PCIe utilizzano un connettore per slot PCIe che impone vincoli meccanici e determina l'integrità del segnale. Di seguito sono riportate alcune considerazioni importanti per i connettori degli slot PCIe utilizzati in queste schede:

• Standardizzazione delle Lane: I connettori degli slot sono standardizzati per un numero specifico di lane (1x, 4x, 8x, 16x e il meno comune 32x).
• Compatibilità Generazionale: I connettori degli slot sono valutati per specifiche generazioni PCIe e sono retrocompatibili.
• Tipi di Componenti: I connettori degli slot possono essere componenti through-hole o componenti SMD, sebbene i connettori di nuova generazione tendano ad essere SMD.
• Connettori Espansi: Un connettore di slot più grande può ospitare schede di espansione più piccole se richiesto dal design.
• Chiavistello e Orientamento: I connettori degli slot sono chiavistellati per determinare l'orientamento della scheda PCIe durante l'installazione. Questo chiavistello deve essere incluso nella scheda di espansione.

Le schede di espansione PCIe hanno tipicamente una flangia che si attacca alla scheda, permettendole di appoggiarsi al chassis di un computer. Questa flangia limita le dimensioni delle schede di espansione PCIe standard.

Esempio di Connettori per Slot PCIe

Di seguito sono mostrati alcuni esempi di connettori a slot. Chiunque abbia aperto un computer desktop o un server riconoscerà questi connettori a bordo. I connettori mostrati sono disponibili da Samtec, sebbene altri fornitori come Amphenol offrano i propri connettori a bordo.

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Connettori PCIe a bordo da 8 linee (in alto) e 16 linee (in basso) (Amphenol)

Data la dimensione e il posizionamento del connettore a bordo e delle flange della scheda, la modellazione meccanica è solitamente necessaria per verificare la forma e l'adattamento all'interno del contenitore. Per le nuove generazioni di PCIe, sono richieste anche simulazioni SI per verificare la larghezza di banda del canale e le perdite totali. Oltre a queste considerazioni, i progettisti devono costruire il pinout della scheda per accomodare il numero richiesto di linee.

Numero di Linee nel Pinout della Scheda PCIe

Il pinout della scheda in un connettore PCIe dipende dal numero di linee e include interfacce aggiuntive, come JTAG. Ci sono anche porte di alimentazione e numerosi pin di terra distribuiti lungo il bordo della scheda. I pin hanno un passo di 1,0 mm, con le linee RX e TX di PCIe intercalate con i pin di terra.

Tutti i pinout delle schede PCIe hanno un lato A e un lato B. Questi lati sono etichettati e mostrati nell'immagine qui sotto.

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Le configurazioni dei pin per le schede PCIe sono dettagliate in tabelle. Man mano che il numero di corsie aumenta, nuove sezioni vengono aggiunte alle tabelle dei pin.

1x Corsie

Pin #	Nome lato B	Funzione	Nome lato A	Funzione
1	+12v	Alimentazione +12 volt	PRSNT#1	Rilevamento presenza hot plug
2	+12v	Alimentazione +12 volt	+12v	Alimentazione +12 volt
3	+12v	Alimentazione +12 volt	+12v	Alimentazione +12 volt
4	GND	Terra	GND	Terra
5	SMCLK	Orologio SMBus	JTAG2	TCK
6	SMDAT	Dati SMBus	JTAG3	TDI
7	GND	Terra	JTAG4	TDO
8	+3.3v	Alimentazione +3.3 volt	JTAG5	TMS
9	JTAG1	+TRST#	+3.3v	+3.3 volt alimentazione
10	3.3Vaux	3.3v alimentazione	+3.3v	+3.3 volt alimentazione
11	WAKE#	Riattivazione collegamento	PERST#	Segnale di reset PCI-Express
Chiave meccanica	N/A	N/A	N/A	N/A
12	RSVD	Riservato	GND	Terra
13	GND	Terra	REFCLK+	CLK di riferimento (+)
14	TX0_P	Lane TX 0 (+)	REFCLK-	CLK di riferimento (-)
15	TX0_N	Lane TX 0 (-)	GND	Terra
16	GND	Terra	RX0_P	Lane RX 0 (+)
17	PRSNT#2	Rilevamento hotplug	RX0_N	Lane RX 0 (-)
18	GND	Terra	GND	Terra

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4x Corsie

8 corsie

16x Corsie

Ci sono alcuni punti chiave da notare. I due binari di alimentazione sono a 12 V e 3,3 V; questi sono tipicamente forniti esternamente alla scheda, quindi le schede PCIe di solito non includono regolatori per queste tensioni. I regolatori di potenza possono essere inclusi sulle schede PCIe secondo necessità. I convertitori DC-DC isolati sono rari sulle schede PCIe, eccetto in casi d'uso specifici come il Power over Ethernet (PoE), che richiede 54 V generati sulla scheda PCIe.

Dimensioni della scheda di espansione PCIe

Le dimensioni complessive della scheda, esclusa l'area per i pin della scheda di bordo, sono definite dallo standard PCIe. La dimensione della scheda non dipende dal numero di corsie, ma è relativa alla dimensione della piastra frontale lungo il bordo della scheda. I valori nella tabella sottostante sono i valori massimi consentiti.

L'immagine sottostante mostra le dimensioni L e A. Si noti che la dimensione P è il profilo sull'asse z della PCB, inclusi i suoi componenti.

Le schede a profilo basso e quelle a profilo standard possono essere distinte dalla loro piastra frontale. Queste schede utilizzano lo stesso connettore e schema di pin, ma sono progettate con diversi montaggi di staffa/piastra frontale, come mostrato nell'immagine sottostante.

Un formato comune è la scheda a otto canali, che ha 89 pin sia sul lato A che sul lato B. I progettisti dovrebbero notare che ogni canale RX e TX è intercalato con pin di terra per mantenere l'impedenza differenziale e minimizzare il diafonia tra i canali PCIe.

Linee guida per la disposizione delle schede PCIe Edge

Le schede di bordo PCIe funzionano in modo simile ad altre PCB ad alta velocità. Tipicamente hanno uno spessore standard di 62 mil. I progettisti possono mescolare e abbinare materiali per creare un impilamento e includere piani di alimentazione e di massa. Le corsie PCIe seguono una routing standard mentre transitano dal connettore di bordo sulla scheda madre all'area della scheda.

Routing nel connettore di bordo: I connettori PCIe di nuova generazione dovrebbero idealmente essere connettori SMD poiché ciò elimina i monconi che sarebbero normalmente presenti sui pin passanti. Tipicamente, se è necessaria una connessione ad alta affidabilità, si può utilizzare una versione passante ma con il routing sui strati posteriori al fine di eliminare qualsiasi moncone. Questo aiuterà a garantire l'integrità del segnale durante la transizione nella scheda di bordo PCIe.

Aree di esclusione componenti: Definire un'area di esclusione sul bordo superiore del connettore. Questa area può contenere tracce ma dovrebbe evitare componenti. Tipicamente, condensatori di accoppiamento sono posizionati vicino alla regione di chiavistello, con altri componenti posizionati sopra di essi. Tuttavia, i condensatori di accoppiamento potrebbero essere posizionati sulla scheda madre/principale prima che i segnali raggiungano il connettore di bordo PCIe.

Regole di distanza dal bordo: Definire una regola di distanza dal bordo della scheda, tipicamente intorno ai 10 mils. Le distanze possono dover essere aumentate vicino all'area di chiavistello con un divieto di passaggio sul bordo della scheda (vedi sopra) per prevenire l'esposizione del rame lungo il bordo della scheda, riducendo il rischio di cortocircuiti. Mantenere le distanze maggiori in quest'area offre una tolleranza per eventuali danni meccanici che possono verificarsi lungo il bordo della carta.

Messa a terra: La strategia di messa a terra per una scheda PCIe è tipicamente quella di avere tutti i componenti su un unico sistema di terra e avere una messa a terra del telaio separata per la piastra frontale della scheda. Un'applicazione comune delle schede PCIe è come scheda di espansione per la rete (rame o fibra). Per una connessione Ethernet cablata, ci sarà un requisito di messa a terra del telaio intorno all'anello per collegare a terra la calotta sul blocco connettore RJ45.

Altre applicazioni possono richiedere anche una messa a terra del telaio. Generalmente, la piastra frontale è connessa alla messa a terra del telaio a causa della sua connessione diretta con l'involucro del dispositivo, mentre il resto dei componenti sulla PCB si troverà su un piano di terra uniforme.

• Scopri di più sulle strategie di messa a terra che influenzano il layout PCIe

Esempio di Template per Scheda PCIe

Il template per schede edge PCIe mostrato di seguito è dimensionato per 8x linee in un connettore edge standard. La scheda è dimensionata al di sotto delle dimensioni massime definite nello standard PCIe, quindi le dimensioni della scheda possono essere modificate a tuo piacimento. Sentiti libero di scaricare questo template per schede edge e di utilizzarlo nei tuoi progetti.

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