PCIe 转四盘位 U.2 背板和硬盘笼

简介

近期固态硬盘价格持续走低，一些 U.2 “起夜级”大船固态的价格已经降到 0.25/GB 左右。单个 U.2 盘用 M.2 或其他 SFF 系列接口转接线或 PCIe x4 转接卡即可使用，而多个硬盘通常需要多盘位背板和硬盘笼，以便集中供电和散热，以及快速安装和拆卸。与量大管饱的 SATA/SAS 硬盘笼不同，市面上的服务器 U.2 硬盘笼大多价格偏高，且兼容性较差（例如采用自定义的电源和信号线序、主控需与自家主板连接识别等）。

本工程提供了一种低成本的 PCIe 转接四盘位 U.2 背板和硬盘笼 (P3, P5) 设计方案，四块硬盘可同时跑满 PCIe 3.0 x4 带宽（P8; 因缺少相应设备，未测试 PCIe 4.0 的情况）。

设计特点

制造成本

PCB 整体尺寸控制在 10cm x 10cm 以内，采用 7628 层压结构和 100 Ohm 差分阻抗走线，绝大部分器件布置在顶面，可在嘉立创低成本打样贴片 (P1)；PCB 沿开孔剪开即得到 PCIE 转接板和背板。

连接线

PCIe 转接板和背板使用 JAE FI-R 51pin 连接器和线材连接，短距离可使用 FFC 软排线连接，价格极低；长距离可使用全同轴线改善信号质量，价格与 SFF 8643/8654 8i 等线材相当或略低，但连接器和线材体积显著低于后者，便于走线 (P2)。

连接线关键词：VBO 51p; FI-R 51p; 注意选择 第 1 脚连接到第 51 脚的“同面”线材 。

供电

使用 PCIe 6pin 或 XT30 接口提供 12V 供电，电源大面积铺铜，并采用多颗电容滤波，满足 U.2 硬盘每盘位 25W 的峰值功耗需求。每块盘留有一个贴片保险焊盘，如不需要可直接一坨锡/粗铜线/吸锡带短接。
板载小体积 NAE 12S03 电源模块提供 3.3V 供电，同时保留 3.3V 外接供电接口，使用外接供电可省去电源模块，进一步降低成本。

散热

提供 80mm 风扇固定孔位（孔距 71.5mm ，孔径 4mm）和两个 4pin 风扇接口，风扇供电可通过开关选择背板 12V 或从主板接线，后者可对 PWM 风扇调速测速（如需测速，将背板背面风扇接口旁的 0 Ohm 电阻 (R30) 焊盘短接）；盘位间距 20mm ，背板镂空开槽，即便安装 15mm 厚盘也有散热空间 (P4)。

硬盘笼

该背板可搭配 2080 欧标铝型材组装成硬盘笼。

1. 取两个 2080 型材（长度不小于 100mm），相距 80mm 平行放置，将背板上的四个孔位对准型材端面的孔位固定；背板固定孔径为 3mm ，可在型材上攻 M6 螺纹，再装 M6-M3 螺纹牙套，用 M3 螺丝固定；背板与型材间需垫高 2mm ~ 3mm ，以免型材短路背面焊盘。
2. 在硬盘侧面的螺丝孔位上固定几个外径 6mm 的垫片或螺母 (P7)，即可将硬盘沿型材的开槽滑入，与背板连接 (P6)；取出硬盘时，可用较细的浸塑晾衣夹夹住硬盘，向外拉出。
   
   
3. 硬盘笼可再加装顶板和底板强化结构强度。最上方盘位安装 15 mm 厚盘时，顶板需要与型材间垫高 2mm 左右，也可垫高更多以便取出硬盘（顶板与硬盘空间不够的话，可以用细棍从背板和顶板的间隙中把硬盘顶出去）；由于风扇孔位在垂直方向上不居中（考虑到最下侧硬盘的散热和连接器布线），风扇会向下凸出一部分，因此底板也建议垫高。

优化讨论

PCIe 2.0 及以上的信号线差分阻抗应该为 85 欧，但用阻抗计算器算出来 7628 层压的线宽过宽，得 3313 的层压才能满足需求，但 3313 的层压既无法用 PCB 打样券，也不能选经济型贴片，成本爆炸，所以换成了 7628 层压的 100 欧阻抗，又不是不能用。

NAE 12S03 体积非常小，和 1206 MLCC 电容相当，外围电路也不需要大体积的电感，但立创商城和某宝都没得卖，仅某鱼上有一家，单价还不太便宜。在板子上留了外接 3.3V 供电的接口，可以选择不贴 NAE12S03 和外围元件，从 PCIe 转接板上拉 3.3V 出来，这样可以再省点成本，缺点是得再拖一根线。整个背板对 3.3V 的功率需求倒是不大，每个 U2 盘大概几十毫安，再加时钟缓冲芯片的几十毫安，如果有其他低成本、小体积的 3.3V 辅助供电方案欢迎一起探讨。

背板上的绝大部分元件都放在了顶面，背面只保留了 U2 母座、贴片保险丝和风扇测速选择（一个 0 欧电阻），这样立创贴片经济型贴一面搞定大部分，缺点是得自己焊四个 U2 母座，操作起来还是有点麻烦。考虑到 FI-R 的母座厚度比较小，或许可以想办法把所有元件都放到同一侧，然后只需要自己焊通孔器件，工程量会降低很多，还可以在接口背面的位置做强化支撑。但是几个螺丝固定孔位和散热槽会极大限制布线空间，大概一半的信号需要经过两次过孔（现在背板上所有差分信号都只经过一次过孔，PCIe 转接板上也是至多一次），连接器也不一定有合适的位置（改成两个 21P 和两个 31P 连接器组合？）。

一开始设计的时候考虑用 3D 打印外壳加服务器硬盘托架做硬盘笼，后来发现自己没这个设计能力，就选了更简单（大概也更便宜）的铝型材方案，缺点是体积和重量都有点膨胀，装配的时候也需要仔细微调（裕量留的比较小），不然可能会卡住硬盘推不进去。可以先把背板、顶板、底板螺丝拧松一点，把盘装进去，然后慢慢轮流上紧螺丝，上的时候尽量把型材向外侧拉，这样大概能再拉出来一毫米左右的空间，拆装硬盘的时候会更顺滑。

参考

本设计主要参考了以下项目，在此对各位作者的无私奉献表示感谢：

• PCIe Bifurcation, 作者：OldMonster
  使用了项目中关于 PCIe 阻抗设计、差分对极性反转、时钟缓冲器电路设计、PCIe 金手指封装等内容，使用 JAE FI-R 51P 连接器做 PCIe 信号延长线的设计也来自 OldMonster 。
• 华为供电热插拔硬盘柜，作者：霜秋凛然
  参考了背板供电和风扇切换连接的设计。
• QNAS 四盘位 3D 打印 NAS 机箱，作者：汪汪队射手
  硬盘固定方式受此项目启发。

图片

• P1. PCB 样板（顶面）
  
• P2. PCIe 转接板和硬盘背板（顶面）
  
• P3. PCIe 转接板和硬盘背板（底面）
  
• P4. 硬盘笼（背面），红色矩形长条为绝缘胶布，贴在铝型材上
  
• P5. 硬盘笼（前面）
  
• P6. 装满的硬盘笼（前面）
  
• P7. 硬盘固定螺丝
  
• P8. 四块硬盘同时测速