Дизайн печатных плат и распиновка для краевых карт PCIe

Наиболее распространенной картой расширения в стандартных настольных и встраиваемых компьютерах является карта PCIe. Карты расширения PCIe выпускаются в нескольких форм-факторах и используют разъем для подключения к краю, монтируясь вертикально или под прямым углом к материнской плате. Также существуют различные типы устройств PCIe, такие как SSD или модули, подключаемые к разъему M.2.

В этой статье я расскажу о механических и электрических требованиях к картам расширения PCIe, использующим стандартный вертикальный разъем краевого типа, обычно встречающийся в настольных компьютерах или серверах. Карты расширения PCIe имеют конкретные механические спецификации по форме и размеру карты, которые должны соблюдаться, чтобы карта плотно входила в разъем краевого типа.

К сожалению, механические спецификации для этих разъемов краевого типа захоронены в стандарте PCIe. Дизайнерам часто приходится обратно инженерить существующий контур карты, чтобы использовать его в печатной плате карты PCIe. В этом блоге я создал шаблон карты PCIe, который вы можете использовать в своих проектах. Этот шаблон является хорошей отправной точкой, так как он показывает механическую кодировку и требования к контактам карты, но контур можно настроить так, чтобы он соответствовал точным размерам печатной платы, которые вам нужны.

Механические и электрические требования к карте PCIe

Расширительные карты PCIe используют разъем слота PCIe, который накладывает механические ограничения и определяет целостность сигнала. Ниже приведены некоторые важные соображения для разъемов слотов PCIe, используемых в этих картах:

• Стандартизация линий: Разъемы слотов стандартизированы для определенного количества линий (1x, 4x, 8x, 16x и менее распространенные 32x).
• Совместимость поколений: Разъемы слотов рассчитаны на определенные поколения PCIe и обратно совместимы.
• Типы компонентов: Разъемы слотов могут быть компонентами с монтажом сквозь отверстие или SMD-компонентами, хотя разъемы нового поколения обычно являются SMD.
• Расширенные разъемы: Больший разъем слота может вместить меньшие расширительные карты, если это требуется конструкцией.
• Кодировка и ориентация: Разъемы слотов имеют ключевые элементы для определения ориентации карты PCIe при установке. Эта кодировка должна быть включена в расширительную карту.

Расширительные карты PCIe обычно имеют фланец, который крепится к карте, позволяя ей прилегать к корпусу компьютера. Этот фланец ограничивает размеры стандартных расширительных карт PCIe.

Примеры разъемов слотов PCIe

Ниже показаны примеры разъемов-слотов. Каждый, кто открывал настольный компьютер или сервер, узнает эти краевые разъемы. Показанные разъемы доступны от Samtec, хотя другие производители, такие как Amphenol, также предлагают свои краевые разъемы.

Конструирование высокоскоростных печатных плат

Простые решения для сложных задач проектирования высокоскоростных печатных плат

Изучите предлагаемые решения

8-дорожечные (верхние) и 16-дорожечные (нижние) краевые разъемы PCIe (Amphenol)

Учитывая размер и расположение краевого разъема и фланцев карты, обычно необходимо механическое моделирование для проверки формы и соответствия внутри корпуса. Для новых поколений PCIe также требуются симуляции SI для проверки пропускной способности канала и общих потерь. Помимо этих соображений, разработчики должны сконструировать распиновку карты для размещения необходимого количества дорожек.

Количество дорожек в распиновке карты PCIe

Распиновка карты в разъеме PCIe зависит от количества дорожек и включает дополнительные интерфейсы, такие как JTAG. Также имеются порты питания и многочисленные заземляющие контакты, распределенные по краю карты. Контакты имеют шаг в 1,0 мм, при этом дорожки приема и передачи PCIe чередуются с заземляющими контактами.

Все распиновки краевых карт PCIe имеют сторону A и сторону B. Эти стороны обозначены и показаны на изображении ниже.

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Explore Solutions

Распиновка для карт PCIe подробно описана в таблицах. С увеличением количества линий к таблицам распиновки добавляются новые разделы.

1x Линии

Номер пина	Имя на стороне B	Функция	Имя на стороне A	Функция
1	+12v	+12 вольт питание	PRSNT#1	Обнаружение подключения на горячую
2	+12v	+12 вольт питание	+12v	+12 вольт питание
3	+12v	+12 вольт питание	+12v	+12 вольт питание
4	GND	Земля	GND	Земля
5	SMCLK	Часы SMBus	JTAG2	TCK
6	SMDAT	Данные SMBus	JTAG3	TDI
7	GND	Земля	JTAG4	TDO
8	+3.3v	+3.3 вольт питание	JTAG5	TMS
9	JTAG1	+TRST#	+3.3v	+3.3 вольт питание
10	3.3Vaux	3.3 вольт питание	+3.3v	+3.3 вольт питание
11	WAKE#	Реактивация связи	PERST#	Сигнал сброса PCI-Express
Механический ключ	Н/Д	Н/Д	Н/Д	Н/Д
12	RSVD	Зарезервировано	GND	Земля
13	GND	Земля	REFCLK+	Опорный CLK (+)
14	TX0_P	Передающая линия 0 (+)	REFCLK-	Опорный CLK (-)
15	TX0_N	Передающая линия 0 (-)	GND	Земля
16	GND	Земля	RX0_P	Приёмная линия 0 (+)
17	PRSNT#2	Обнаружение горячего подключения	RX0_N	Приёмная линия 0 (-)
18	GND	Земля	GND	Земля

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Learn More

4x линии

8 каналов

16x линий

Следует отметить несколько ключевых моментов. Две линии питания имеют напряжение 12 В и 3,3 В; обычно они подаются снаружи карты, поэтому на картах PCIe обычно нет регуляторов для этих напряжений. Регуляторы питания могут быть установлены на картах PCIe по мере необходимости. Изолированные преобразователи постоянного тока в постоянный редко встречаются на картах PCIe, за исключением специфических случаев использования, таких как Power over Ethernet (PoE), которое требует генерации 54 В непосредственно на карте PCIe.

Размер платы дополнительного устройства PCIe

Общие размеры платы, за исключением области для контактных площадок краевого соединителя, определены стандартом PCIe. Размер платы не зависит от количества линий, но связан с размером лицевой панели вдоль края карты. Значения в таблице ниже являются максимально допустимыми.

На изображении ниже показаны размеры L и H. Обратите внимание, что размер W - это профиль по оси z печатной платы, включая ее компоненты.

Карты низкого и стандартного профиля можно отличить по их лицевой панели. Эти карты используют один и тот же разъем и распиновку, но они разработаны с разными креплениями/лицевыми панелями, как показано на изображении ниже.

Одним из распространенных форм-факторов является карта на восемь линий, которая имеет 89 контактов как на стороне A, так и на стороне B. Дизайнерам следует обратить внимание, что каждая приемопередающая линия RX и TX чередуется с контактами земли для поддержания дифференциального импеданса и минимизации перекрестных помех между линиями PCIe.

Руководство по размещению карт PCIe Edge

Краевые карты PCIe функционируют аналогично другим высокоскоростным печатным платам. Обычно они имеют стандартную толщину 62 мил. Дизайнеры могут комбинировать материалы для создания стека и включать в него плоскости питания и заземления. Линии PCIe следуют стандартной трассировке при переходе от краевого разъема на материнской плате к области карты.

Трассировка в краевой разъем: Для новых поколений разъемов PCIe идеально подходят разъемы SMD, так как это исключает наличие ответвлений, которые обычно присутствуют на сквозных контактах. Обычно, если необходимо обеспечить высокую надежность соединения, можно использовать версию с сквозными контактами, но с трассировкой на задних слоях для устранения любых ответвлений. Это поможет обеспечить целостность сигнала при переходе в краевую карту PCIe.

Зоны запрета компонентов: Определите зону запрета на верхнем крае разъема. В этой зоне могут находиться дорожки, но следует избегать размещения компонентов. Обычно соединительные конденсаторы размещаются возле ключевой области, а другие компоненты располагаются над ними. Однако соединительные конденсаторы могут быть размещены на материнской/основной плате до того, как сигналы достигнут краевого разъема PCIe.

Правила очистки краев: Определите правило очистки края платы, обычно около 10 милов. Очистки могут потребовать увеличения вблизи ключевой зоны с запретом на размещение у края платы (см. выше), чтобы предотвратить обнажение меди вдоль края платы, снижая риск короткого замыкания. Увеличение очисток в этой области дает допуск на любые механические повреждения, которые могут возникнуть вдоль края карты.

Заземление: Стратегия заземления для карты PCIe обычно заключается в том, чтобы все компоненты были подключены к единой системе заземления и имели отдельное шасси для заземления лицевой панели карты. Обычное применение карт PCIe - как дополнительная карта для сетевых подключений (медные или оптоволоконные). Для проводного Ethernet-соединения потребуется заземление шасси вокруг кольца, чтобы заземлить оболочку на блоке разъемов RJ45.

Другие приложения также могут требовать заземления шасси. В общем случае лицевая панель подключается к заземлению шасси из-за ее прямого соединения с корпусом устройства, в то время как остальные компоненты на печатной плате будут расположены над единым заземляющим слоем.

• Узнайте больше о стратегиях заземления, влияющих на компоновку PCIe

Пример шаблона карты PCIe

Шаблон краевой карты PCIe, показанный ниже, предназначен для 8 линий в стандартном краевом разъеме. Размер карты меньше максимальных размеров, определенных в стандарте PCIe, поэтому размер карты можно изменять по вашему усмотрению. Не стесняйтесь скачивать этот шаблон краевой карты и использовать его в своих проектах.

Независимо от того, нужно ли вам создать надежную силовую электронику или передовые цифровые системы, используйте полный набор функций проектирования печатных плат и мирового класса инструменты CAD в Altium Designer^®. Для реализации сотрудничества в современной междисциплинарной среде инновационные компании используют платформу Altium 365™ для легкого обмена данными проектирования и запуска проектов в производство.

Мы только коснулись поверхности возможностей Altium Designer на Altium 365. Начните свою бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 сегодня.