PCI Express 设计指南(PCB板)

什么是 PCI Express？

 

外围组件互连 (PCI) Express，正式缩写为PCIe或PCI-e，是一种高速串行计算机扩展总线标准，旨在取代旧的PCI、PCI- X 和 AGP 总线标准。它是个人电脑显卡、硬盘驱动器主机适配器、固态硬盘、Wi-Fi和以太网硬件连接的通用主板接口。

 

PCIe 印刷电路板组装

 

它于 1992 年推出，旨在支持复杂的数据传输，并进一步发展其用途。PCI 总线可用于 32 位和 64 位版本。PCI技术经历了各种更新，演变为仍在开发中的PCI Express。

对于金手指，存在间距为 2.54 毫米（0.1 英寸）的PC -AT 标准（也称为“ ISA ”）和栅距为 1.27 毫米（0.05 英寸）的 PCI 标准。此外，还有间距为 1.0mm 的 PCIe 卡和间距为 0.8mm 的 Mini PCB Express 卡 (mPCIe)。

PCIe 目前有四个不同的世代：PCIe 1.0、PCIe 2.0、PCIe 3.0 和 PCIe 4.0。带宽每一代都翻倍。下面给出了各代 PCIe 的详细规格。

PCI Express Version	传输速率	x1 Throughput	x4 Throughput	x8 Throughput	x16 Throughput
1个	2.5GT/秒	250 兆字节/秒	1.0GB/秒	2.0GB/秒	4.0 GB/秒
2个	5GT/秒	500 兆字节/秒	2.0GB/秒	4.0 GB/秒	8.0 GB/秒
3个	8GT/秒	984.6 MB/秒	3.94 GB/秒	7.88 GB/秒	15.8 GB/秒
4个	16GT/秒	1969 兆字节/秒	7.88 GB/秒	15.75 GB/秒	31.5GB/秒

 

PCI Express 设计指南

跟踪路由规范(Trace Routing specifications)

与大多数可用的高速设备相比，几代 PCIe 允许在其布局布线规范中使用更长的走线。每一代都有自己的阻抗和最大走线长度规格，以适应不同的数据传输速率。应密切关注这些以获得所需的性能。确切的布线规范将取决于您在设计中使用的是哪一代 PCIe。

Gen 1 和 Gen 2 中的走线长度都让 RX（接收）和 TX（传输）信号走线的长度达到 21 英寸。对于第 3 代，信号走线 PCIe 平面上的走线长度最多只能达到 14 英寸。虽然每个 TX 走线对只能有两个过孔，但 RX 走线对最多可以包含四个过孔，以将阻抗保持在要求的规格范围内。当将迹线发送到 PCIe 插槽时，COM Express 载板允许第 1 代和第 2 代的迹线长度长达 9 英寸。

信号线的差分阻抗取决于用于连接 PCIe 板的总线。

印刷电路板类型	差分阻抗 （欧姆）
标准电路板	100
PCI-SIG 总线 Gen 1	85
PCI-SIG 总线 Gen 2	85
PCI-SIG 总线 Gen 3	85
COMCDG Rev. 1.0 总线 Gen 1 PCIe	92
COMCDG Rev. 1.0 总线 Gen 2 PCIe	92
COMCDG Rev. 2.0 总线 Gen 3 PCIe	85

不同 PCIe 代和总线标准对差分阻抗值的容差也不同。每个总线和生成组合的值可能不同，但可以在 COMCDG Rev. 2.0 规范中找到它们。当将微带线的阻抗保持在指定的公差范围内时，您需要使用PCB 设计软件来包含受控阻抗布线功能。软件中的交互式布线工具将确保您的走线以正确的间距和几何形状展开。

堆叠和接地

标准 PCIe 板采用 4 层堆叠，每个表面上有两个内部电源层和两个信号层。每个电源层都可以根据设备要求设置不同的偏置电平。PCIe 板的其他设计采用 6 层堆叠，其中两个信号层在两个电源层之间运行。在另一种情况下，其中一个电源层可以用接地层代替。在这两种情况下，您都可以通过在内层布线信号走线来实现更好的EMI抗扰度。

您甚至可以在不同层上以不同的数据速率路由轨迹。例如，在诸如PCIe 卡上Wi-Fi设备中的混合信号板中，您可以在外层布线数字迹线，在内层布线RF迹线。电源/接地层将有效阻止噪声到达敏感的模拟信号走线。

无论使用何种叠层，您都需要满足 PCIe Mini 的 1.57 毫米或 1 毫米的整体电路板厚度标准。您还需要考虑标准的高速设计技术，因为第一代 PCIe 以 2.5 GHz 的时钟速度运行，而后代的速度也在不断提高。

PCIe 差分对路由

在PCIe 板上绕过障碍物和组件放置以及过孔放置非常重要。需要对引脚、焊盘和组件进行对称布线以及BGA 分线布线。差分对需要在整个长度上紧密耦合，其中一条走线会因过孔、焊盘或元件在另一条走线上的镜像而发生变化。这可确保在整个差分对长度上将串扰降至最低。在布线 BGA 分线或其他组件的分线时需要应用类似的做法。

其他的

• 包括金手指在内的整个插头区域不得被阻焊剂覆盖（见图）
• 接触区域内不允许有镀通孔
• 电路板面可自由选择
• 金手指采用“硬金”（电镀金）制造，Au 厚度为 0.8 – 2µm

技术参数	PC card	PCI card	PCIe card	mPCIe card
Pitch	2.54mm	1.27毫米	1.0mm	0.8mm
厚度(Thickness)	1.6毫米	1.6毫米	1.6毫米	1.0mm
倒角角度(Chamfer angle)	45°	20°	20°	20°/45°
间距金手指 / PCB contour	0.7mm	2.0mm	1.4mm	0.5mm/0.25mm

 
参考资料:
https://madpcb.com/glossary/pci-express/
https://resources.pcb.cadence.com/blog/pcb-routing-essentials-for-the-modern-designer
https://resources.pcb.cadence.com/blog/2023-a-look-at-pci-board-design-guidelines