PCIe 엣지 카드를 위한 PCB 디자인 및 핀아웃

표준 데스크탑 컴퓨터와 임베디드 컴퓨터에서 가장 일반적인 추가 카드는 PCIe 카드입니다. PCIe 추가 카드는 여러 형태 요소로 제공되며, 모서리 슬롯 커넥터를 사용하여 마더보드에 수직으로 또는 직각으로 장착됩니다. 또한 M.2 커넥터에 꽂는 SSD나 모듈과 같은 다양한 유형의 PCIe 장치가 있습니다.

이 글에서는 데스크탑 컴퓨터나 서버에서 일반적으로 발견되는 표준 수직 모서리 커넥터를 사용하는 PCIe 추가 카드의 기계적 및 전기적 요구 사항을 다룰 것입니다. PCIe 추가 카드는 카드 모양과 크기에 대한 특정 기계적 사양을 가지고 있으며, 이는 모서리 커넥터 내에 꼭 맞도록 따라야 합니다.

불행히도, 이러한 모서리 커넥터의 기계적 사양은 PCIe 표준에 묻혀 있습니다. 디자이너들은 종종 기존 카드 윤곽을 역설계하여 PCIe 카드 PCB에 사용해야 합니다. 이 블로그에서는 프로젝트에 사용할 수 있는 PCIe 카드 템플릿을 만들었습니다. 이 템플릿은 카드의 기계적 키잉과 핀 요구 사항을 보여주는 좋은 출발점이지만, 필요한 정확한 PCB 치수와 일치하도록 윤곽이 조정 가능합니다.

PCIe 카드의 기계적 및 전기적 요구 사항

PCIe 추가 카드는 기계적 제약을 부과하고 신호 무결성을 결정하는 PCIe 슬롯 커넥터를 사용합니다. 이러한 카드에 사용되는 PCIe 슬롯 커넥터에 대한 몇 가지 중요한 고려 사항은 다음과 같습니다:

• 레인 표준화: 슬롯 커넥터는 특정 수의 레인(1x, 4x, 8x, 16x 및 덜 일반적으로 사용되는 32x)에 대해 표준화됩니다.
• 세대 호환성: 슬롯 커넥터는 특정 PCIe 세대에 대해 등급이 매겨지며 하위 호환됩니다.
• 구성 요소 유형: 슬롯 커넥터는 스루홀 구성 요소 또는 SMD 구성 요소일 수 있으며, 새로운 세대 커넥터는 일반적으로 SMD입니다.
• 확장된 커넥터: 더 큰 슬롯 커넥터는 디자인에 필요한 경우 더 작은 추가 카드를 수용할 수 있습니다.
• 키잉 및 방향: 슬롯 커넥터는 PCIe 카드의 설치 시 방향을 결정하기 위해 키잉됩니다. 이 키잉은 추가 카드에 포함되어야 합니다.

PCIe 추가 카드는 일반적으로 컴퓨터의 섀시에 맞닿도록 카드에 부착되는 플랜지를 가지고 있습니다. 이 플랜지는 표준 PCIe 추가 카드의 치수를 제한합니다.

PCIe 슬롯 커넥터 예

아래에는 몇 가지 예시 슬롯 커넥터가 나와 있습니다. 데스크탑 컴퓨터나 서버를 열어본 사람이라면 이 엣지 커넥터를 알아볼 것입니다. 보여진 커넥터들은 Samtec에서 제공되지만, Amphenol과 같은 다른 공급업체들도 자체 엣지 커넥터를 제공합니다.

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8-레인(상단) 및 16-레인(하단) PCIe 엣지 커넥터 (Amphenol)

엣지 커넥터와 카드 플랜지의 크기 및 배치를 고려할 때, 일반적으로 기계적 모델링이 필요하여 인클로저 내에서의 형태와 적합성을 검증합니다. PCIe의 새로운 세대에 대해서는, 채널 대역폭과 총 손실을 검증하기 위해 SI 시뮬레이션이 필요합니다. 이러한 고려사항을 넘어서, 설계자는 필요한 레인 수를 수용할 수 있도록 카드 핀아웃을 구성해야 합니다.

PCIe 카드 핀아웃의 레인 수

PCIe 커넥터의 카드 핀아웃은 레인 수에 따라 달라지며, JTAG과 같은 추가 인터페이스를 포함합니다. 또한, 카드 엣지에는 전원 포트와 다수의 접지 핀이 분포되어 있습니다. 핀은 1.0 mm 피치를 가지며, PCIe RX 및 TX 레인은 접지 핀과 교차로 배치됩니다.

모든 PCIe 엣지 카드 핀아웃은 A면과 B면을 가집니다. 이 면들은 아래 이미지에서 라벨링되어 보여집니다.

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PCIe 카드의 핀 배치는 표에 자세히 설명되어 있습니다. 레인의 수가 증가함에 따라 핀 배치 표에 새로운 섹션이 추가됩니다.

1x 레인

핀 번호	B-사이드 이름	기능	A-사이드 이름	기능
1	+12v	+12 볼트 전원	PRSNT#1	핫 플러그 존재 감지
2	+12v	+12 볼트 전원	+12v	+12 볼트 전원
3	+12v	+12 볼트 전원	+12v	+12 볼트 전원
4	GND	접지	GND	접지
5	SMCLK	SMBus 클록	JTAG2	TCK
6	SMDAT	SMBus 데이터	JTAG3	TDI
7	GND	접지	JTAG4	TDO
8	+3.3v	+3.3 볼트 전원	JTAG5	TMS
9	JTAG1	+TRST#	+3.3v	+3.3 볼트 전원
10	3.3Vaux	3.3v 볼트 전원	+3.3v	+3.3 볼트 전원
11	WAKE#	링크 재활성화	PERST#	PCI-Express 리셋 신호
기계적 키	해당 없음	해당 없음	해당 없음	해당 없음
12	RSVD	예약됨	GND	접지
13	GND	접지	REFCLK+	참조 클럭 (+)
14	TX0_P	TX 레인 0 (+)	REFCLK-	참조 클럭 (-)
15	TX0_N	TX 레인 0 (-)	GND	접지
16	GND	접지	RX0_P	RX 레인 0 (+)
17	PRSNT#2	핫플러그 감지	RX0_N	RX 레인 0 (-)
18	GND	접지	GND	접지

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4x 레인

8x 레인

16x 레인

몇 가지 주요 사항을 알아두어야 합니다. 두 전원 레일은 12V와 3.3V에 있으며, 이들은 일반적으로 카드 외부에서 공급되므로 PCIe 카드는 보통 이러한 전압에 대한 조정기를 탑재하지 않습니다. 필요에 따라 PCIe 카드에 전원 조정기를 포함시킬 수 있습니다. 격리된 DC-DC 변환기는 PCIe 카드에서 드물게 사용되지만, PCIe 카드에서 54V를 생성해야 하는 Power over Ethernet (PoE)과 같은 특정 사용 사례에서는 예외입니다.

PCIe 추가 카드 보드 크기

전체 보드 치수는 엣지 카드 핀을 위한 영역을 제외하고 PCIe 표준에 의해 정의됩니다. 보드 크기는 레인의 수에 따라 달라지지 않지만, 카드 엣지를 따라 있는 페이스플레이트 크기와 관련이 있습니다. 아래 표에는 허용되는 최대 값이 나와 있습니다.

아래 이미지는 L과 H 치수를 보여줍니다. W 치수는 PCB와 그 구성 요소의 z축 프로파일을 나타낸다는 점에 유의하세요.

저프로파일 카드와 표준 프로파일 카드는 페이스플레이트로 구분할 수 있습니다. 이 카드들은 동일한 커넥터와 핀아웃을 사용하지만, 아래 이미지에 표시된 것처럼 다른 브래킷/페이스플레이트 조립으로 설계되었습니다.

하나의 일반적인 폼 팩터는 양쪽 A-사이드와 B-사이드에 89개의 핀이 있는 8레인 카드입니다. 설계자들은 각 RX와 TX 레인이 차동 임피던스를 유지하고 PCIe 레인 간의 크로스토크를 최소화하기 위해 접지 핀과 교차 배치되어 있다는 점을 주의해야 합니다.

PCIe 엣지 카드 레이아웃 가이드라인

PCIe 엣지 카드는 다른 고속 PCB와 유사하게 작동합니다. 일반적으로 표준 두께는 62 mil입니다. 설계자는 다양한 재료를 혼합하여 스택업을 생성하고 전력 및 접지 평면을 포함할 수 있습니다. PCIe 레인은 엣지 커넥터에서 카드 영역으로 전환할 때 표준 라우팅을 따릅니다.

엣지 커넥터로의 라우팅: 새로운 세대의 PCIe 커넥터는 이상적으로 SMD 커넥터여야 합니다. 이는 일반적으로 스루홀 핀에 존재하는 스텁을 제거하기 때문입니다. 일반적으로 고신뢰성 연결이 필요한 경우 스루홀 버전을 사용할 수 있지만, 스텁을 제거하기 위해 뒷면 레이어에서 라우팅을 해야 합니다. 이는 PCIe 엣지 카드로의 전환 중 신호 무결성을 보장하는 데 도움이 됩니다.

부품 배치 금지 영역: 커넥터의 상단 가장자리에 배치 금지 영역을 정의합니다. 이 영역에는 트레이스가 포함될 수 있지만 부품은 피해야 합니다. 일반적으로, 결합 커패시터는 키잉 영역 근처에 배치되며, 다른 부품은 그 위에 위치합니다. 그러나 결합 커패시터는 PCIe 엣지 커넥터에 신호가 도달하기 전에 마더보드/메인보드 디자인에 배치될 수 있습니다.

에지 클리어런스 규칙: 일반적으로 10 mil 주변의 보드 에지 클리어런스 규칙을 정의합니다. 보드 에지 킵아웃(위 참조)과 함께 키잉 영역 근처에서 클리어런스를 늘려야 할 수도 있습니다. 이는 보드 에지를 따라 구리가 노출되는 것을 방지하여 단락의 위험을 줄입니다. 이 영역에서 클리어런스를 더 크게 유지하면 카드 에지를 따라 발생할 수 있는 기계적 손상에 대한 여유를 제공합니다.

접지: PCIe 카드의 접지 전략은 일반적으로 모든 구성 요소가 단일 시스템 접지 위에 있고 카드 페이스플레이트에 별도의 섀시 접지가 있는 것입니다. PCIe 카드의 일반적인 응용은 네트워킹(구리 또는 광섬유)을 위한 추가 카드로 사용하는 것입니다. 유선 이더넷 연결의 경우, RJ45 커넥터 블록의 쉬루드를 접지하기 위해 링 주변에 섀시 접지 요구 사항이 있을 것입니다.

다른 응용 프로그램에서도 섀시 접지가 필요할 수 있습니다. 일반적으로 페이스플레이트는 장치 인클로저에 직접 연결되어 있기 때문에 섀시 접지에 연결되며, PCB의 나머지 구성 요소는 균일한 접지 평면 위에 위치하게 됩니다.

• PCIe 레이아웃에 영향을 미치는 접지 전략에 대해 자세히 알아보기

PCIe 에지 카드 템플릿 예시

아래에 표시된 PCIe 엣지 카드 템플릿은 표준 엣지 커넥터에서 8x 레인에 맞게 크기가 조정되어 있습니다. 카드는 PCIe 표준에서 정의한 최대 치수보다 작으므로, 카드 크기를 원하는 대로 변경할 수 있습니다. 이 엣지 카드 템플릿을 다운로드하여 자신의 프로젝트에 자유롭게 사용하세요.

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