Projektowanie PCB i rozmieszczenie wyprowadzeń dla kart krawędziowych PCIe

Najczęściej stosowaną kartą rozszerzeń w standardowych komputerach stacjonarnych i wbudowanych jest karta PCIe. Karty rozszerzeń PCIe występują w wielu formatach i używają złącza krawędziowego, montowanego pionowo lub pod kątem prostym wzdłuż płyty głównej. Dostępne są również różne typy urządzeń PCIe, takie jak dyski SSD lub moduły, które są podłączane do złącza M.2.

W tym artykule omówię wymagania mechaniczne i elektryczne dla kart rozszerzeń PCIe, które używają standardowego pionowego złącza krawędziowego, typowo znajdującego się w komputerach stacjonarnych lub serwerach. Karty rozszerzeń PCIe mają określone specyfikacje mechaniczne dotyczące kształtu i rozmiaru karty, które muszą być spełnione, aby karta pasowała ściśle do złącza krawędziowego.

Niestety, specyfikacje mechaniczne dla tych złączy krawędziowych są ukryte w standardzie PCIe. Projektanci często muszą odwrotnie inżynierować istniejący zarys karty, aby użyć go w PCB karty PCIe. W tym blogu stworzyłem szablon karty PCIe, którego możesz użyć w swoich projektach. Ten szablon jest dobrym punktem wyjścia, ponieważ pokazuje mechaniczne kluczowanie i wymagania dotyczące pinów karty, ale zarys jest regulowany, aby dopasować się do dokładnych wymiarów PCB, których potrzebujesz.

Wymagania mechaniczne i elektryczne karty PCIe

Karty rozszerzeń PCIe używają złącza slotu PCIe, które narzuca ograniczenia mechaniczne i określa integralność sygnału. Poniżej znajdują się niektóre ważne rozważania dotyczące złączy slotów PCIe używanych w tych kartach:

• Standaryzacja linii: Złącza slotów są standaryzowane pod kątem określonej liczby linii (1x, 4x, 8x, 16x oraz rzadziej używane 32x).
• Zgodność generacyjna: Złącza slotów są oceniane pod kątem określonych generacji PCIe i są wstecznie kompatybilne.
• Typy komponentów: Złącza slotów mogą być komponentami przewlekającymi lub komponentami SMD, chociaż nowsze generacje złączy mają tendencję do bycia SMD.
• Rozszerzone złącza: Większe złącze slotu może pomieścić mniejsze karty rozszerzeń, jeśli wymaga tego projekt.
• Kluczowanie i orientacja: Złącza slotów są kluczowane, aby określić orientację karty PCIe podczas instalacji. To kluczowanie musi być uwzględnione w karcie rozszerzeń.

Karty rozszerzeń PCIe zazwyczaj mają kołnierz, który przyłącza się do karty, pozwalając jej opierać się o obudowę komputera. Ten kołnierz ogranicza wymiary standardowych kart rozszerzeń PCIe.

Przykładowe złącza slotów PCIe

Poniżej przedstawiono przykłady złączy slotowych. Każdy, kto otwierał komputer stacjonarny lub serwer, rozpozna te złącza krawędziowe. Przedstawione złącza są dostępne od firmy Samtec, chociaż inni dostawcy, tacy jak Amphenol, również oferują własne złącza krawędziowe.

High-Speed PCB Design

Simple solutions to high-speed design challenges

Explore Solutions

Złącza krawędziowe PCIe z 8 torami (góra) i 16 torami (dół) (Amphenol)

Ze względu na rozmiar i umiejscowienie złącza krawędziowego oraz flansze karty, modelowanie mechaniczne jest zazwyczaj konieczne, aby zweryfikować formę i dopasowanie w obudowie. Dla nowszych generacji PCIe wymagane są również symulacje SI, aby zweryfikować przepustowość kanału i całkowite straty. Poza tymi rozważaniami, projektanci muszą skonstruować rozmieszczenie pinów karty, aby pomieścić wymaganą liczbę torów.

Liczba torów w rozmieszczeniu pinów karty PCIe

Rozmieszczenie pinów w złączu PCIe zależy od liczby torów i obejmuje dodatkowe interfejsy, takie jak JTAG. Dostępne są również porty zasilania i liczne piny uziemienia rozłożone na krawędzi karty. Piny mają rozstaw 1,0 mm, przy czym tory RX i TX PCIe są przeplatane z pinami uziemienia.

Wszystkie rozmieszczenia pinów kart krawędziowych PCIe mają stronę A i B. Te strony są oznaczone i pokazane na poniższym obrazie.

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Explore Solutions

Rozpiny kart PCIe są szczegółowo opisane w tabelach. Wraz ze wzrostem liczby linii, do tabel z rozpinami dodawane są nowe sekcje.

1x Linie

Nr pinu	Nazwa strony B	Funkcja	Nazwa strony A	Funkcja
1	+12v	Zasilanie +12 volt	PRSNT#1	Wykrywanie obecności podczas gorącej wymiany
2	+12v	Zasilanie +12 volt	+12v	Zasilanie +12 volt
3	+12v	Zasilanie +12 volt	+12v	Zasilanie +12 volt
4	GND	Masa	GND	Masa
5	SMCLK	Zegar SMBus	JTAG2	TCK
6	SMDAT	Dane SMBus	JTAG3	TDI
7	GND	Masa	JTAG4	TDO
8	+3.3v	Zasilanie +3.3 volt	JTAG5	TMS
9	JTAG1	+TRST#	+3.3v	+3.3 volt zasilanie
10	3.3Vaux	3.3v volt zasilanie	+3.3v	+3.3 volt zasilanie
11	WAKE#	Reaktywacja łącza	PERST#	Sygnał resetu PCI-Express
Mechaniczny klucz	N/A	N/A	N/A	N/A
12	RSVD	Zarezerwowane	GND	Masa
13	GND	Masa	REFCLK+	Referencyjne CLK (+)
14	TX0_P	Linia TX 0 (+)	REFCLK-	Referencyjne CLK (-)
15	TX0_N	Linia TX 0 (-)	GND	Masa
16	GND	Masa	RX0_P	Linia RX 0 (+)
17	PRSNT#2	Wykrywanie gorącego podłączenia	RX0_N	Linia RX 0 (-)
18	GND	Ziemia	GND	Ziemia

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Learn More

4x tory

8x Linie

16x tory

Istnieje kilka kluczowych punktów, które należy zauważyć. Dwie szyny zasilające mają napięcie 12 V i 3,3 V; są one zwykle dostarczane z zewnątrz karty, więc karty PCIe zazwyczaj nie posiadają regulatorów dla tych napięć. Regulatory mocy mogą być dołączane do kart PCIe w razie potrzeby. Przetwornice DC-DC z izolacją są rzadkością na kartach PCIe, z wyjątkiem specyficznych przypadków użycia, takich jak Power over Ethernet (PoE), które wymaga wygenerowania 54 V na karcie PCIe.

Rozmiar płytki dodatkowej karty PCIe

Całkowite wymiary płytki, z wyłączeniem obszaru dla pinów krawędziowych, są zdefiniowane przez standard PCIe. Rozmiar płytki nie zależy od liczby linii, ale jest związany z rozmiarem płytki czołowej wzdłuż krawędzi karty. Wartości w poniższej tabeli to maksymalne dozwolone wartości.

Poniższy obraz pokazuje wymiary L i H. Należy zauważyć, że wymiar W to profil osi z płytki PCB, włączając w to jej komponenty.

Karty niskoprofilowe i karty standardowego profilu można odróżnić po ich płytce czołowej. Te karty używają tego samego złącza i układu pinów, ale są zaprojektowane z różnymi zestawami wspornika/płytki czołowej, jak pokazano na poniższym obrazie.

Jednym z powszechnych formatów jest karta ośmiościeżna, która ma 89 pinów zarówno po stronie A, jak i B. Projektanci powinni zwrócić uwagę, że każdy tor RX i TX jest przeplatany z pinami uziemiającymi, aby utrzymać różnicową impedancję i zminimalizować przeplot między torami PCIe.

Wytyczne układu karty krawędziowej PCIe

Karty krawędziowe PCIe działają podobnie do innych szybkich PCB. Zazwyczaj mają standardową grubość 62 mil. Projektanci mogą mieszać i dopasowywać materiały, aby stworzyć układ warstw i włączyć do niego płaszczyzny zasilania i masę. Ścieżki PCIe podążają za standardowym trasowaniem, gdy przechodzą z konektora krawędziowego na płycie głównej do obszaru karty.

Trasowanie do konektora krawędziowego: Nowe generacje konektorów PCIe powinny być idealnie konektorami SMD, ponieważ eliminuje to występy, które normalnie byłyby obecne na pinach przelotowych. Zazwyczaj, jeśli potrzebne jest połączenie o wysokiej niezawodności, można użyć wersji przelotowej, ale z trasowaniem na dolnych warstwach, aby eliminować wszelkie występy. Pomoże to zapewnić integralność sygnału podczas przejścia do karty krawędziowej PCIe.

Obszary zakazu umieszczania komponentów: Zdefiniuj obszar zakazu umieszczania na górnej krawędzi konektora. Obszar ten może zawierać ścieżki, ale powinien unikać komponentów. Zazwyczaj kondensatory sprzęgające są umieszczane w pobliżu regionu kluczowania, z innymi komponentami umieszczonymi powyżej nich. Jednakże, kondensatory sprzęgające mogą być umieszczone na płycie głównej / projekcie płyty głównej przed sygnałami docierającymi do konektora krawędziowego PCIe.

Zasady odstępu od krawędzi: Zdefiniuj zasadę odstępu od krawędzi płytki, zwykle około 10 mils. Odstępy mogą wymagać zwiększenia w pobliżu obszaru kluczowania z zastosowaniem wyłączenia krawędzi płytki (patrz powyżej), aby zapobiec wystawieniu miedzi wzdłuż krawędzi płytki, co zmniejsza ryzyko zwarcia. Utrzymanie większych odstępów w tym obszarze daje margines na wszelkie mechaniczne uszkodzenia, które mogą pojawić się wzdłuż krawędzi karty.

Uziemienie: Strategia uziemienia dla karty PCIe zwykle zakłada posiadanie wszystkich komponentów nad pojedynczym uziemieniem systemowym oraz oddzielne uziemienie obudowy dla przedniej płytki karty. Typowym zastosowaniem kart PCIe jest karta dodatkowa do sieci (miedzianej lub światłowodowej). Dla połączenia Ethernet za pomocą kabla będzie wymagane uziemienie obudowy wokół pierścienia w celu uziemienia osłony na bloku złącza RJ45.

Inne aplikacje mogą również wymagać uziemienia obudowy. Ogólnie, przednia płyta jest połączona z uziemieniem obudowy ze względu na jej bezpośrednie połączenie z obudową urządzenia, podczas gdy reszta komponentów na PCB będzie umieszczona nad jednolitą płaszczyzną uziemienia.

• Dowiedz się więcej o strategiach uziemienia, które wpływają na układ PCIe

Przykład szablonu karty krawędziowej PCIe

Szablon karty krawędziowej PCIe przedstawiony poniżej jest przystosowany do 8x linii w standardowym złączu krawędziowym. Rozmiar karty jest mniejszy niż maksymalne wymiary określone w standardzie PCIe, więc rozmiar karty można zmienić według własnego uznania. Zachęcamy do pobrania tego szablonu karty krawędziowej i wykorzystania go w swoich projektach.

Niezależnie od tego, czy potrzebujesz zbudować niezawodną elektronikę mocy, czy zaawansowane systemy cyfrowe, skorzystaj z kompletnego zestawu funkcji projektowania PCB i światowej klasy narzędzi CAD w Altium Designer^®. Aby zaimplementować współpracę w dzisiejszym środowisku interdyscyplinarnym, innowacyjne firmy korzystają z platformy Altium 365™, aby łatwo udostępniać dane projektowe i wprowadzać projekty do produkcji.

Dopiero zaczynamy odkrywać możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.