Design de PCB e Pinout para Cartões de Borda PCIe

| Criada: Julho 13, 2024 | Atualizada: Novembro 22, 2024

Design de PCB e Pinout para Placas de Borda PCIe

O tipo mais comum de placa de expansão em computadores de mesa padrão e computadores embutidos é a placa PCIe. As placas de expansão PCIe vêm em múltiplos formatos e utilizam um conector de encaixe na borda, sendo montadas verticalmente ou em um ângulo reto ao longo de uma placa-mãe. Você também tem diferentes tipos de dispositivos PCIe, como SSDs ou módulos que se conectam a um conector M.2.

Neste artigo, vou cobrir os requisitos mecânicos e elétricos para placas de expansão PCIe que usam o conector de borda vertical padrão, tipicamente encontrado em computadores de mesa ou servidores. As placas de expansão PCIe têm especificações mecânicas específicas para forma e tamanho da placa que devem ser seguidas para se encaixarem perfeitamente dentro de um conector de borda.

Infelizmente, as especificações mecânicas para esses conectores de borda estão escondidas no padrão PCIe. Os designers muitas vezes têm que reengenheirar o contorno de uma placa existente para usá-la em uma PCB de placa PCIe. Neste blog, criei um modelo de placa PCIe que você pode usar em seus projetos. Este modelo é um bom ponto de partida, pois mostra o encaixe mecânico e os requisitos de pinos para a placa, mas o contorno é ajustável para corresponder às exatas dimensões da PCB que você precisa.

Requisitos Mecânicos e Elétricos da Placa PCIe

Placas de expansão PCIe utilizam um conector de slot PCIe que impõe restrições mecânicas e determina a integridade do sinal. Abaixo estão algumas considerações importantes para conectores de slot PCIe usados nessas placas:

Padronização de Faixas: Os conectores de slot são padronizados para um número específico de faixas (1x, 4x, 8x, 16x e o menos comum 32x).
Compatibilidade de Geração: Os conectores de slot são classificados para gerações específicas de PCIe e são compatíveis com versões anteriores.
Tipos de Componentes: Os conectores de slot podem ser componentes through-hole ou componentes SMD, embora os conectores de gerações mais novas tendam a ser SMD.
Conectores Expandidos: Um conector de slot maior pode acomodar placas de expansão menores, se necessário pelo design.
Chaveamento e Orientação: Os conectores de slot são chavetados para determinar a orientação da placa PCIe durante a instalação. Esse chaveamento deve ser incluído na placa de expansão.

Placas de expansão PCIe tipicamente têm uma flange que se fixa à placa, permitindo que ela se apoie contra o chassis de um computador. Esta flange limita as dimensões das placas de expansão PCIe padrão.

Exemplo de Conectores de Slot PCIe

Alguns exemplos de conectores de slot são mostrados abaixo. Qualquer pessoa que tenha aberto um computador de mesa ou servidor reconhecerá esses conectores de borda. Os conectores mostrados estão disponíveis na Samtec, embora outros fornecedores como a Amphenol também ofereçam seus próprios conectores de borda.

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Conectores de borda PCIe de 8 pistas (topo) e 16 pistas (fundo) (Amphenol)

Dado o tamanho e o posicionamento do conector de borda e das flanges do cartão, a modelagem mecânica geralmente é necessária para verificar a forma e o ajuste dentro do invólucro. Para as novas gerações de PCIe, simulações de SI também são necessárias para verificar a largura de banda do canal e as perdas totais. Além dessas considerações, os designers devem construir o pinout do cartão para acomodar o número necessário de pistas.

Número de Pistas no Pinout do Cartão PCIe

O pinout do cartão em um conector PCIe depende do número de pistas e inclui interfaces adicionais, como JTAG. Há também portas de alimentação e numerosos pinos de terra distribuídos pela borda do cartão. Os pinos têm um espaçamento de 1,0 mm, com pistas RX e TX do PCIe intercaladas com pinos de terra.

Todos os pinouts de cartão de borda PCIe têm um lado A e um lado B. Esses lados são rotulados e mostrados na imagem abaixo.

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Os pinouts para placas PCIe são detalhados em tabelas. À medida que o número de pistas aumenta, novas seções são adicionadas às tabelas de pinout.

1x Pistas

Nº do Pino	Nome Lado B	Função	Nome Lado A	Função
1	+12v	Alimentação de +12 volts	PRSNT#1	Detecção de presença de conexão rápida
2	+12v	Alimentação de +12 volts	+12v	Alimentação de +12 volts
3	+12v	Alimentação de +12 volts	+12v	Alimentação de +12 volts
4	GND	Terra	GND	Terra
5	SMCLK	Relógio SMBus	JTAG2	TCK
6	SMDAT	Dados SMBus	JTAG3	TDI
7	GND	Terra	JTAG4	TDO
8	+3.3v	Alimentação de +3.3 volts	JTAG5	TMS
9	JTAG1	+TRST#	+3.3v	+3.3 volts de alimentação
10	3.3Vaux	3.3v volts de alimentação	+3.3v	+3.3 volts de alimentação
11	WAKE#	Reativação de Link	PERST#	Sinal de Reset do PCI-Express
Chave Mecânica	N/A	N/A	N/A	N/A
12	RSVD	Reservado	GND	Terra
13	GND	Terra	REFCLK+	CLK de Referência (+)
14	TX0_P	Lane de TX 0 (+)	REFCLK-	CLK de Referência (-)
15	TX0_N	Lane de TX 0 (-)	GND	Terra
16	GND	Terra	RX0_P	Lane de RX 0 (+)
17	PRSNT#2	Detecção de Hotplug	RX0_N	Lane de RX 0 (-)
18	GND	Terra	GND	Terra

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4x Pistas

Nº do Pino	Nome Lado B	Função	Nome Lado A	Função
19	TX1_P	Linha de TX 1 (+)	RSVD	Reservado
20	TX1_N	Linha de TX 1 (-)	GND	Terra
21	GND	Terra	RX1_P	Linha de RX 1 (+)
22	GND	Terra	RX1_N	Linha de RX 1 (-)
23	TX2_P	Linha de TX 2 (+)	GND	Terra
24	TX2_N	Linha de TX 2 (-)	GND	Terra
25	GND	Terra	RX2_P	Linha de RX 2 (+)
26	GND	Terra	RX2_N	Linha de RX 2 (-)
27	TX3_P	Linha de TX 3 (+)	GND	Terra
28	TX3_N	Lane TX 3 (-)	GND	Terra
29	GND	Terra	RX3_P	Lane RX 3 (+)
30	RSVD	Reservado	RX3_N	Lane RX 3 (-)
31	PRSNT#2	Detecção de conexão em quente	GND	Terra
32	GND	Terra	RSVD	Reservado

8x Lanes

Número do Pino	Nome do Lado B	Função	Nome do Lado A	Função
33	TX4_P	Lane TX 4 (+)	RSVD	Reservado
34	TX4_N	Lane TX 4 (-)	GND	Terra
35	GND	Terra	RX4_P	Lane RX 4 (+)
36	GND	Terra	RX4_N	Lane RX 4 (-)
37	TX5_P	Lane TX 5 (+)	GND	Terra
38	TX5_N	Linha TX 5 (-)	GND	Terra
39	GND	Terra	RX5_P	Linha RX 5 (+)
40	GND	Terra	RX5_N	Linha RX 5 (-)
41	TX6_P	Linha TX 6 (+)	GND	Terra
42	TX6_N	Linha TX 6 (-)	GND	Terra
43	GND	Terra	RX6_P	Linha RX 6 (+)
44	GND	Terra	RX6_N	Linha RX 6 (-)
45	TX7_P	Linha TX 7 (+)	GND	Terra
46	TX7_N	Linha TX 7 (-)	GND	Terra
47	GND	Terra	RX7_P	Linha RX 7 (+)
48	PRSNT#2	Detecção de conexão a quente	RX7_N	Linha RX 7 (-)
49	GND	Terra	GND	Terra

16x Pistas

Número do Pino	Nome do Lado B	Função	Nome do Lado A	Função
50	TX8_P	Linha de TX 8 (+)	RSVD	Reservado
51	TX8_N	Linha de TX 8 (-)	GND	Terra
52	GND	Terra	RX8_P	Linha de RX 8 (+)
53	GND	Terra	RX8_N	Linha de RX 8 (-)
54	TX9_P	Linha de TX 9 (+)	GND	Terra
55	TX9_N	Linha de TX 9 (-)	GND	Terra
56	GND	Terra	RX9_P	Linha de RX 9 (+)
57	GND	Terra	RX9_N	Linha de RX 9 (-)
58	TX10_P	Linha de TX 10 (+)	GND	Terra
59	TX10_N	Linha de TX 10 (-)	GND	Terra
60	GND	Terra	RX10_P	Linha RX 10 (+)
61	GND	Terra	RX10_N	Linha RX 10 (-)
62	TX11_P	Linha TX 11 (+)	GND	Terra
63	TX11_N	Linha TX 11 (-)	GND	Terra
64	GND	Terra	RX11_P	Linha RX 11 (+)
65	GND	Terra	RX11_N	Linha RX 11 (-)
66	TX12_P	Linha TX 12 (+)	GND	Terra
67	TX12_N	Linha TX 12 (-)	GND	Terra
68	GND	Terra	RX12_P	Linha RX 12 (+)
69	GND	Terra	RX12_N	Linha RX 12 (-)
70	TX13_P	Linha TX 13 (+)	GND	Terra
71	TX13_N	Linha TX 13 (-)	GND	Terra
72	GND	Terra	RX13_P	Linha RX 13 (+)
73	GND	Terra	RX13_N	Linha RX 13 (-)
74	TX14_P	Linha TX 14 (+)	GND	Terra
75	TX14_N	Linha TX 14 (-)	GND	Terra
76	GND	Terra	RX14_P	Linha RX 14 (+)
77	GND	Terra	RX14_N	Linha RX 14 (-)
78	TX15_P	Linha TX 15 (+)	GND	Terra
79	TX15_N	Linha TX 15 (-)	GND	Terra
80	GND	Terra	RX15_P	Linha RX 15 (+)
81	PRSNT#2	Detecção de presença de hot plug	RX15_N	Linha RX 15 (-)
82	RSVD#2	Detecção de Conexão em Quente	GND	Terra

Existem alguns pontos chave a serem observados. As duas linhas de alimentação estão em 12 V e 3.3 V; estas são tipicamente fornecidas fora da placa, então as placas PCIe geralmente não possuem reguladores para estas tensões. Reguladores de potência podem ser incluídos nas placas PCIe conforme necessário. Conversores DC-DC isolados são raros em placas PCIe, exceto em casos de uso específicos como Power over Ethernet (PoE), que requer 54 V gerados na placa PCIe.

Tamanho da Placa de Adição PCIe

As dimensões gerais da placa, excluindo a área para os pinos de borda, são definidas pelo padrão PCIe. O tamanho da placa não depende do número de vias, mas está relacionado ao tamanho da placa de face ao longo da borda do cartão. Os valores na tabela abaixo são os valores máximos permitidos.

Comprimento Total	(C x A x L) = 312 x 111.15 x 20.32 (mm)
3/4 de Comprimento	(C x A x L) = 312 x 111.15 x 20.32 (mm)
Metade do Comprimento	(L x A x P) = 167,65 x 111,15 x 20,32 (mm)
Perfil Baixo	(L x A x P) = 167,65 x 68,9 x 20,32 (mm)

A imagem abaixo mostra as dimensões L e A. Note que a dimensão P é o perfil do eixo z da PCB, incluindo seus componentes.

Cartões de perfil baixo e cartões de perfil padrão podem ser distinguidos pela sua placa frontal. Esses cartões usam o mesmo conector e pinagem, mas são projetados com diferentes montagens de suporte/placa frontal, conforme mostrado na imagem abaixo.

Um formato comum é o cartão de oito pistas, que possui 89 pinos tanto no lado A quanto no lado B. Os designers devem notar que cada pista RX e TX é intercalada com pinos de terra para manter a impedância diferencial e minimizar o diafonia entre as pistas PCIe.

Diretrizes de Layout de Cartão de Borda PCIe

As placas de borda PCIe funcionam de maneira semelhante a outras PCBs de alta velocidade. Elas normalmente têm uma espessura padrão de 62 mil. Os designers podem misturar e combinar materiais para criar um empilhamento e incluir planos de alimentação e terra. As pistas PCIe seguem um roteamento padrão à medida que fazem a transição do conector de borda na placa-mãe para a área do cartão.

Roteamento para o conector de borda: Conectores PCIe de gerações mais recentes devem idealmente ser conectores SMD, pois isso elimina os stubs que normalmente estariam presentes em pinos through-hole. Tipicamente, se uma conexão de alta confiabilidade é necessária, uma versão through-hole pode ser usada, mas com roteamento nas camadas traseiras a fim de eliminar quaisquer stubs. Isso ajudará a garantir a integridade do sinal durante a transição para a placa de borda PCIe.

Áreas de exclusão de componentes: Defina uma área de exclusão na borda superior do conector. Esta área pode conter trilhas, mas deve evitar componentes. Tipicamente, capacitores de acoplamento são colocados perto da região de chaveamento, com outros componentes posicionados acima deles. No entanto, os capacitores de acoplamento poderiam ser colocados no design da placa-mãe/placa principal antes que os sinais alcancem o conector de borda PCIe.

Regras de folga de borda: Defina uma regra de folga de borda de placa, tipicamente em torno de 10 mils. As folgas podem precisar ser aumentadas perto da área de chaveamento com uma proibição de borda de placa (veja acima) para evitar a exposição do cobre ao longo da borda da placa, reduzindo o risco de curtos-circuitos. Manter as folgas maiores nesta área oferece uma margem para qualquer dano mecânico que possa surgir ao longo da borda do cartão.

Aterramento: A estratégia de aterramento para um cartão PCIe é tipicamente ter todos os componentes sobre um único aterramento do sistema e ter um aterramento de chassis separado para a placa frontal do cartão. Uma aplicação comum de cartões PCIe é como um cartão adicional para rede (cobre ou fibra). Para uma conexão Ethernet com fio, haverá uma exigência de aterramento de chassis ao redor do anel para aterrar a blindagem no bloco conector RJ45.

Outras aplicações também podem requerer um aterramento de chassis. Geralmente, a placa frontal é conectada ao aterramento de chassis devido à sua conexão direta com o invólucro do dispositivo, enquanto o restante dos componentes na PCB ficará sobre um plano de aterramento uniforme.

Saiba mais sobre estratégias de aterramento que impactam o layout PCIe

Exemplo de Modelo de Cartão de Borda PCIe

O modelo de placa de borda PCIe mostrado abaixo é dimensionado para 8x pistas em um conector de borda padrão. A placa está dimensionada abaixo das dimensões máximas definidas no padrão PCIe, portanto, o tamanho da placa pode ser alterado conforme você achar conveniente. Sinta-se à vontade para baixar este modelo de placa de borda e usá-lo em seus próprios projetos.

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Sobre o autor

Zachariah Peterson tem vasta experiência técnica na área acadêmica e na indústria. Atualmente, presta serviços de pesquisa, projeto e marketing para empresas do setor eletrônico. Antes de trabalhar na indústria de PCB, lecionou na Portland State University e conduziu pesquisas sobre teoria, materiais e estabilidade de laser aleatório. A experiência de Peterson em pesquisa científica abrange assuntos relacionados aos lasers de nanopartículas, dispositivos semicondutores eletrônicos e optoeletrônicos, sensores ambientais e padrões estocásticos. Seu trabalho foi publicado em mais de uma dezena de jornais avaliados por colegas e atas de conferência, além disso, escreveu mais de dois mil artigos técnicos sobre projeto de PCB para diversas empresas. É membro da IEEE Photonics Society, da IEEE Electronics Packaging Society, da American Physical Society e da Printed Circuit Engineering Association (PCEA). Anteriormente, atuou como membro com direito a voto no Comitê Consultivo Técnico de Computação Quântica do INCITS, onde trabalhou em padrões técnicos para eletrônica quântica e, no momento, atua no grupo de trabalho P3186 do IEEE, que tem como foco a interface de portas que representam sinais fotônicos com simuladores de circuitos da classe SPICE.

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