PCIeエッジカードのためのPCBデザインとピン配置

標準的なデスクトップコンピュータや組み込みコンピュータで最も一般的なアドインカードはPCIeカードです。PCIeアドインカードは複数のフォームファクターがあり、エッジスロットコネクタを使用して、マザーボードに対して垂直または直角に取り付けられます。また、M.2コネクタに接続するSSDやモジュールなど、異なるタイプのPCIeデバイスもあります。

この記事では、デスクトップコンピューターやサーバーに一般的に見られる標準的な垂直エッジコネクタを使用するPCIeアドインカードの機械的および電気的要件について説明します。PCIeアドインカードには、エッジコネクタ内にしっかりと収まるために従う必要があるカードの形状とサイズに関する特定の機械的仕様があります。

残念ながら、これらのエッジコネクタの機械的仕様はPCIe標準の中に埋もれています。設計者はしばしば、既存のカードのアウトラインを逆設計してPCIeカードのPCBで使用する必要があります。このブログでは、プロジェクトに使用できるPCIeカードのテンプレートを作成しました。このテンプレートは、カードの機械的キーイングとピン要件を示しているため、良い出発点ですが、必要な正確なPCB寸法に合わせてアウトラインを調整できます。

PCIeカードの機械的および電気的要件

PCIeアドインカードは、機械的な制約を課し、信号の整合性を決定するPCIeスロットコネクタを使用します。これらのカードで使用されるPCIeスロットコネクタに関するいくつかの重要な考慮事項を以下に示します：

• レーンの標準化：スロットコネクタは、特定の数のレーン（1x、4x、8x、16x、およびあまり一般的ではない32x）に対して標準化されています。
• 世代の互換性：スロットコネクタは、特定のPCIe世代に対して評価され、下位互換性があります。
• コンポーネントタイプ：スロットコネクタは、スルーホールコンポーネントまたはSMDコンポーネントであることができますが、新しい世代のコネクタはSMDである傾向があります。
• 拡張コネクタ：大きなスロットコネクタは、設計に必要に応じて、小さなアドインカードを収容できます。
• キーと方向：スロットコネクタは、PCIeカードの取り付け時の方向を決定するためにキーが付けられています。このキーはアドインカードに含まれている必要があります。

PCIeアドインカードは通常、カードに取り付けられるフランジを持っており、これによりコンピュータのシャーシに対して固定されます。このフランジは、標準のPCIeアドインカードの寸法を制限します。

PCIeスロットコネクタの例

以下に示すのは、スロットコネクタの例です。デスクトップコンピューターやサーバーを開けたことがある人なら、これらのエッジコネクターを認識しているでしょう。示されているコネクターはSamtecから入手可能ですが、Amphenolのような他のベンダーも自身のエッジコネクターを提供しています。

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8レーン（上）と16レーン（下）のPCIeエッジコネクター（Amphenol）

エッジコネクターとカードフランジのサイズと配置を考慮すると、通常、エンクロージャ内の形状とフィットを検証するためには機械モデリングが必要です。新世代のPCIeについては、チャネル帯域幅と総損失を検証するためにSIシミュレーションも必要です。これらの考慮事項を超えて、設計者は必要なレーン数を収容するためにカードピンアウトを構築する必要があります。

PCIeカードピンアウトのレーン数

PCIeコネクターのカードピンアウトは、レーン数に応じて変わり、JTAGなどの追加インターフェースも含まれます。また、カードエッジには電源ポートと多数のグラウンドピンが分布しています。ピンのピッチは1.0 mmで、PCIe RXおよびTXレーンはグラウンドピンと交互に配置されています。

すべてのPCIeエッジカードピンアウトにはA面とB面があります。これらの面はラベル付けされ、以下の画像に示されています。

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PCIeカードのピン配置は表で詳しく説明されています。レーンの数が増えると、ピン配置表に新しいセクションが追加されます。

1x レーン

ピン番号	B側 名称	機能	A側 名称	機能
1	+12v	+12 ボルト 電源	PRSNT#1	ホットプラグ検出
2	+12v	+12 ボルト 電源	+12v	+12 ボルト 電源
3	+12v	+12 ボルト 電源	+12v	+12 ボルト 電源
4	GND	グラウンド	GND	グラウンド
5	SMCLK	SMBus クロック	JTAG2	TCK
6	SMDAT	SMBus データ	JTAG3	TDI
7	GND	グラウンド	JTAG4	TDO
8	+3.3v	+3.3 ボルト 電源	JTAG5	TMS
9	JTAG1	+TRST#	+3.3v	+3.3ボルト電源
10	3.3Vaux	3.3ボルト電源	+3.3v	+3.3ボルト電源
11	WAKE#	リンク再活性化	PERST#	PCI-Expressリセット信号
メカニカルキー	該当なし	該当なし	該当なし	該当なし
12	RSVD	予約済み	GND	グラウンド
13	GND	グラウンド	REFCLK+	参照CLK (+)
14	TX0_P	TXレーン0 (+)	REFCLK-	参照CLK (-)
15	TX0_N	TXレーン0 (-)	GND	グラウンド
16	GND	グラウンド	RX0_P	RXレーン0 (+)
17	PRSNT#2	ホットプラグ検出	RX0_N	RXレーン0 (-)
18	GND	グラウンド	GND	グラウンド

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4x レーン

8x レーン

16x レーン

いくつかの重要な点に注意が必要です。2つの電源レールは12Vと3.3Vにあり、これらは通常カード外部から供給されるため、PCIeカードは通常、これらの電圧のためのレギュレータを搭載していません。必要に応じて、PCIeカードに電源レギュレータを含めることができます。絶縁DC-DCコンバータは、PCIeカード上で54Vを生成する必要があるPower over Ethernet (PoE)のような特定の使用例を除き、PCIeカードでは珍しいです。

PCIeアドインカードボードサイズ

エッジカードピン用のエリアを除いた全体のボード寸法は、PCIe標準によって定義されています。ボードサイズはレーンの数に依存せず、カードエッジに沿ったフェイスプレートのサイズに関連しています。下記の表の値は、許容される最大値です。

下の画像はLとHの寸法を示しています。W寸法はPCBのz軸プロファイル、つまりそのコンポーネントを含むものです。

ロープロファイルカードと標準プロファイルカードは、フェイスプレートによって区別されます。これらのカードは同じコネクタとピン配置を使用していますが、下の画像に示されているように、異なるブラケット/フェイスプレートアセンブリで設計されています。

一般的なフォームファクターの一つは、A側とB側の両方に89ピンを持つ8レーンカードです。設計者は、各RXおよびTXレーンが差動インピーダンスを維持し、PCIeレーン間のクロストークを最小限に抑えるためにグラウンドピンと交互に配置されていることに注意する必要があります。

PCIeエッジカードレイアウトガイドライン

PCIeエッジカードは、他の高速PCBと同様に機能します。通常、標準の厚さは62ミルです。設計者は、スタックアップを作成するためにさまざまな材料を組み合わせ、電源層とグラウンド層を含めることができます。PCIeレーンは、マザーボード上のエッジコネクタからカードエリアへの移行時に標準的なルーティングに従います。

エッジコネクタへのルーティング：新世代のPCIeコネクタは、理想的にはSMDコネクタであるべきです。これにより、通常スルーホールピンに存在するスタブが排除されます。通常、高信頼性の接続が必要な場合は、スルーホールバージョンを使用できますが、スタブを排除するために背面レイヤーでのルーティングが必要です。これにより、PCIeエッジカードへの移行中の信号完全性を確保するのに役立ちます。

コンポーネントキープアウトエリア：コネクタの上端にキープアウトエリアを定義します。このエリアにはトレースを含めることができますが、コンポーネントは避けるべきです。通常、結合キャパシタはキーイング領域の近くに配置され、その上に他のコンポーネントが配置されます。しかし、結合キャパシタは、PCIeエッジコネクタに到達する前に、マザーボード/メインボード設計上に配置することもできます。

エッジクリアランスルール：通常は10ミル前後の基板エッジクリアランスルールを定義します。キー領域近くでは、基板エッジキープアウト（上記参照）を使用してクリアランスを増やす必要があります。これは、基板エッジに沿った銅の露出を防ぎ、ショートサーキットのリスクを減らすためです。このエリアでクリアランスを大きく保つことで、カードエッジに沿って発生する可能性のある機械的損傷に対する余裕を持たせます。

グラウンディング：PCIeカードのグラウンディング戦略は、通常、すべてのコンポーネントを単一のシステムグラウンド上に配置し、カードフェイスプレートのために別のシャーシグラウンドを持つことです。PCIeカードの一般的な用途は、ネットワーキング用のアドインカード（銅またはファイバー）です。有線イーサネット接続の場合、RJ45コネクタブロックのシールドを接地するためにリング周りにシャーシグラウンドが必要になります。

その他の用途でもシャーシグラウンドが必要になる場合があります。一般的に、フェイスプレートはデバイスエンクロージャーへの直接接続によりシャーシグラウンドに接続され、PCB上の残りのコンポーネントは均一なグラウンドプレーン上に配置されます。

• PCIeレイアウトに影響を与えるグラウンディング戦略についてもっと学ぶ

PCIeエッジカードテンプレート例

以下に示されているPCIeエッジカードテンプレートは、標準エッジコネクタで8xレーン用にサイズ設定されています。このカードはPCIe標準で定義されている最大寸法よりも小さいサイズで設計されているため、カードのサイズはお好みで変更できます。このエッジカードテンプレートをダウンロードして、自分のプロジェクトで自由に使用してください。

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