Thiết kế PCB và Bố trí Chân cho Thẻ Cạnh PCIe

Loại card mở rộng phổ biến nhất trong máy tính để bàn tiêu chuẩn và máy tính nhúng là card PCIe. Card mở rộng PCIe có nhiều hình dạng và kích thước khác nhau, sử dụng kết nối khe cắm cạnh, có thể lắp đặt theo chiều dọc hoặc tạo góc vuông với bo mạch chủ. Bạn cũng có các loại thiết bị PCIe khác nhau, như SSD hoặc các mô-đun cắm vào kết nối M.2.

Trong bài viết này, tôi sẽ trình bày về yêu cầu cơ khí và điện tử cho card mở rộng PCIe sử dụng kết nối cạnh dọc tiêu chuẩn thường thấy trong máy tính để bàn hoặc máy chủ. Card mở rộng PCIe có các thông số kỹ thuật cơ khí cụ thể cho hình dạng và kích thước của card mà phải tuân theo để vừa vặn trong kết nối cạnh.

Thật không may, các thông số kỹ thuật cơ khí cho các kết nối cạnh này được chôn vùi trong tiêu chuẩn PCIe. Các nhà thiết kế thường phải đảo ngược kỹ thuật một card mẫu hiện có để sử dụng nó trong PCB card PCIe. Trong blog này, tôi đã tạo một mẫu card PCIe mà bạn có thể sử dụng cho các dự án của mình. Mẫu này là một điểm xuất phát tốt, vì nó hiển thị các yêu cầu về khóa cơ khí và chân cho card, nhưng hình dạng có thể điều chỉnh để phù hợp với kích thước PCB chính xác bạn cần.

Yêu Cầu Cơ Khí và Điện Tử của Card PCIe

Các thẻ bổ sung PCIe sử dụng kết nối khe cắm PCIe, điều này đặt ra các hạn chế về mặt cơ khí và quyết định đến tính toàn vẹn của tín hiệu. Dưới đây là một số điều cần xem xét quan trọng đối với kết nối khe cắm PCIe được sử dụng trong các thẻ này:

• Tiêu chuẩn Làn đường: Các kết nối khe cắm được chuẩn hóa cho một số lượng làn đường cụ thể (1x, 4x, 8x, 16x và ít được sử dụng hơn là 32x).
• Tính Tương Thích Thế Hệ: Các kết nối khe cắm được đánh giá cho các thế hệ PCIe cụ thể và có khả năng tương thích ngược.
• Loại Linh Kiện: Các kết nối khe cắm có thể là linh kiện xuyên lỗ hoặc linh kiện SMD, mặc dù các kết nối thế hệ mới thường là SMD.
• Kết nối Mở rộng: Một kết nối khe cắm lớn hơn có thể chứa các thẻ bổ sung nhỏ hơn nếu thiết kế yêu cầu.
• Khóa và Hướng: Các kết nối khe cắm được khóa để xác định hướng của thẻ PCIe khi lắp đặt. Việc khóa này phải được bao gồm trong thẻ bổ sung.

Các thẻ bổ sung PCIe thường có một cánh tay gắn vào thẻ, cho phép nó tựa vào khung máy tính. Cánh tay này giới hạn kích thước của các thẻ bổ sung PCIe tiêu chuẩn.

Ví dụ về Kết nối Khe cắm PCIe

Một số ví dụ về kết nối khe cắm được hiển thị bên dưới. Bất kỳ ai đã từng mở một máy tính để bàn hoặc máy chủ đều sẽ nhận ra những kết nối cạnh này. Các kết nối được hiển thị có sẵn từ Samtec, mặc dù các nhà cung cấp khác như Amphenol cũng cung cấp các kết nối cạnh của riêng họ.

High-Speed PCB Design

Simple solutions to high-speed design challenges

Explore Solutions

Kết nối cạnh PCIe 8-lane (phía trên) và 16-lane (phía dưới) (Amphenol)

Do kích thước và vị trí của kết nối cạnh và các cánh thẻ, mô hình hóa cơ khí thường là cần thiết để xác minh hình dạng và kích thước phù hợp trong vỏ máy. Đối với các thế hệ mới của PCIe, các mô phỏng SI cũng được yêu cầu để xác minh băng thông kênh và tổng lượng mất mát. Ngoài những xem xét này, các nhà thiết kế phải xây dựng bố cục chân thẻ để chứa đủ số lượng làn cần thiết.

Số Lượng Làn trong Bố Cục Chân Thẻ PCIe

Bố cục chân thẻ trong một kết nối PCIe phụ thuộc vào số lượng làn và bao gồm các giao diện bổ sung, như JTAG. Cũng có các cổng nguồn và nhiều chân nối đất phân bố khắp cạnh thẻ. Các chân có khoảng cách 1.0 mm, với các làn PCIe RX và TX xen kẽ với các chân nối đất.

Tất cả bố cục chân thẻ PCIe đều có một mặt A và một mặt B. Các mặt này được ghi nhãn và hiển thị trong hình dưới đây.

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Explore Solutions

Các chân kết nối cho thẻ PCIe được chi tiết trong các bảng. Khi số lượng làn tăng lên, các phần mới được thêm vào bảng chân kết nối.

1x Làn

Số Pin	Tên mặt B	Chức năng	Tên mặt A	Chức năng
1	+12v	Nguồn +12 volt	PRSNT#1	Phát hiện sự hiện diện cắm nóng
2	+12v	Nguồn +12 volt	+12v	Nguồn +12 volt
3	+12v	Nguồn +12 volt	+12v	Nguồn +12 volt
4	GND	Mặt đất	GND	Mặt đất
5	SMCLK	Đồng hồ SMBus	JTAG2	TCK
6	SMDAT	Dữ liệu SMBus	JTAG3	TDI
7	GND	Mặt đất	JTAG4	TDO
8	+3.3v	Nguồn +3.3 volt	JTAG5	TMS
9	JTAG1	+TRST#	+3.3v	+3.3 volt
10	3.3Vaux	3.3v	+3.3v	+3.3 volt
11	WAKE#	Kích hoạt lại liên kết	PERST#	Tín hiệu khởi động lại PCI-Express
Khóa cơ khí	Không áp dụng	Không áp dụng	Không áp dụng	Không áp dụng
12	RSVD	Dành riêng	GND	Mặt đất
13	GND	Mặt đất	REFCLK+	CLK tham chiếu (+)
14	TX0_P	Lane TX 0 (+)	REFCLK-	CLK tham chiếu (-)
15	TX0_N	Lane TX 0 (-)	GND	Mặt đất
16	GND	Mặt đất	RX0_P	Lane RX 0 (+)
17	PRSNT#2	Phát hiện cắm nóng	RX0_N	Lane RX 0 (-)
18	GND	Đất	GND	Đất

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Learn More

4x Lanes

8x Lanes

16x Lanes

Có một số điểm quan trọng cần lưu ý. Hai đường ray nguồn ở mức 12 V và 3.3 V; chúng thường được cung cấp từ bên ngoài thẻ, vì vậy thẻ PCIe thường không chứa các bộ điều chỉnh cho các điện áp này. Các bộ điều chỉnh nguồn có thể được bao gồm trên thẻ PCIe khi cần thiết. Bộ chuyển đổi DC-DC cô lập là hiếm trên thẻ PCIe, trừ trong các trường hợp sử dụng cụ thể như Power over Ethernet (PoE), yêu cầu 54 V được tạo ra trên thẻ PCIe.

Kích thước Bảng Thẻ PCIe

Kích thước tổng thể của bảng, không bao gồm khu vực cho các chân cạnh thẻ, được định nghĩa bởi tiêu chuẩn PCIe. Kích thước bảng không phụ thuộc vào số lượng làn, nhưng liên quan đến kích thước mặt nạ cạnh thẻ. Các giá trị trong bảng dưới đây là giá trị tối đa cho phép.

Hình ảnh dưới đây cho thấy kích thước L và H. Lưu ý rằng kích thước W là hồ sơ trục z của PCB, bao gồm cả các thành phần của nó.

Thẻ có hồ sơ thấp và thẻ có hồ sơ tiêu chuẩn có thể được phân biệt bằng mặt trước của chúng. Những thẻ này sử dụng cùng một loại kết nối và bố trí chân, nhưng chúng được thiết kế với bộ lắp đặt giá/mặt trước khác nhau, như được hiển thị trong hình ảnh dưới đây.

Một dạng thức phổ biến là thẻ tám làn, có 89 chân ở cả hai mặt A và B. Các nhà thiết kế nên lưu ý rằng mỗi làn RX và TX được xen kẽ với các chân nối đất để duy trì trở kháng vi sai và giảm thiểu nhiễu chéo giữa các làn PCIe.

Hướng dẫn Bố trí Thẻ Cạnh PCIe

Các thẻ cạnh PCIe hoạt động tương tự như các PCB tốc độ cao khác. Chúng thường có độ dày tiêu chuẩn là 62 mil. Các nhà thiết kế có thể kết hợp các vật liệu khác nhau để tạo ra một cấu trúc xếp chồng và bao gồm các lớp nguồn và mặt đất. Các làn PCIe tuân theo quy trình định tuyến tiêu chuẩn khi chúng chuyển từ kết nối cạnh trên bo mạch chủ sang khu vực thẻ.

Định tuyến vào kết nối cạnh: Các kết nối PCIe thế hệ mới nên là các kết nối SMD lý tưởng vì điều này loại bỏ các đoạn dư thừa mà bình thường sẽ xuất hiện trên các chân xuyên lỗ. Thông thường, nếu cần một kết nối đáng tin cậy cao, một phiên bản xuyên lỗ có thể được sử dụng nhưng với việc định tuyến trên các lớp phía sau để loại bỏ bất kỳ đoạn dư thừa nào. Điều này sẽ giúp đảm bảo tính toàn vẹn tín hiệu trong quá trình chuyển vào thẻ cạnh PCIe.

Khu vực cấm đặt linh kiện: Xác định một khu vực cấm đặt trên cạnh trên của kết nối. Khu vực này có thể chứa các đường dẫn nhưng nên tránh các linh kiện. Thông thường, tụ ghép được đặt gần khu vực khóa, với các linh kiện khác được đặt phía trên chúng. Tuy nhiên, các tụ ghép có thể được đặt trên thiết kế bo mạch chủ/trước khi các tín hiệu đạt đến kết nối cạnh PCIe.

Quy tắc khoảng cách mép: Định nghĩa một quy tắc khoảng cách mép bo mạch, thường là khoảng 10 mils. Khoảng cách có thể cần được tăng lên gần khu vực chìa khóa với một lệnh cấm sử dụng mép bo mạch (xem phía trên) để ngăn chặn việc lộ ra đồng dọc theo mép bo mạch, giảm nguy cơ chập mạch. Giữ khoảng cách lớn hơn ở khu vực này cho phép dự phòng cho bất kỳ hư hại cơ khí nào có thể xuất hiện dọc theo mép thẻ.

Đất: Chiến lược đất cho một thẻ PCIe thường là có tất cả các thành phần trên một đất hệ thống duy nhất và có một đất vỏ riêng biệt cho mặt nạ thẻ. Một ứng dụng phổ biến của thẻ PCIe là như một thẻ bổ sung cho mạng (đồng hoặc sợi). Đối với kết nối Ethernet có dây, sẽ có yêu cầu đất vỏ xung quanh vòng để đất cho vỏ bọc trên khối kết nối RJ45.

Các ứng dụng khác cũng có thể yêu cầu đất vỏ. Nói chung, mặt nạ được kết nối với đất vỏ do kết nối trực tiếp với vỏ thiết bị, trong khi phần còn lại của các thành phần trên PCB sẽ nằm trên một mặt phẳng đất đồng nhất.

• Tìm hiểu thêm về các chiến lược đất ảnh hưởng đến bố trí PCIe

Ví dụ về Mẫu Thẻ Cạnh PCIe

Mẫu thẻ cạnh PCIe được hiển thị bên dưới được thiết kế cho 8 làn trong một kết nối cạnh tiêu chuẩn. Kích thước của thẻ nhỏ hơn kích thước tối đa được định nghĩa trong tiêu chuẩn PCIe, vì vậy bạn có thể thay đổi kích thước thẻ theo ý muốn. Hãy thoải mái tải xuống mẫu thẻ cạnh này và sử dụng trong các dự án của riêng bạn.

Dù bạn cần xây dựng điện tử công suất đáng tin cậy hay hệ thống số tiên tiến, hãy sử dụng bộ đầy đủ các tính năng thiết kế PCB và công cụ CAD hàng đầu thế giới trong Altium Designer^®. Để thực hiện sự hợp tác trong môi trường đa ngành nghề ngày nay, các công ty đổi mới đang sử dụng nền tảng Altium 365™ để dễ dàng chia sẻ dữ liệu thiết kế và đưa dự án vào sản xuất.

Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngay hôm nay.