PCIe 转四盘位 U.2 (SFF-8639) 背板 (eDP 版)

版本记录

v1.2 2024-11-27: 添加了 PCIe 4.0 硬盘测试结果；添加了组装图片
v1.1 2024-09-29: 添加了机箱和支架信息
v1.0 2024-09-14: 测试通过，可正常使用
v0.1 2024-06-29: 初版设计

前言

一年前我设计了一款使用 FI-R 51p 连接器的 PCIe 转四盘位 U.2 背板，在长期使用中注意到该背板偶尔会出现硬盘降速或无法识别硬盘的情况；FI-R 连接器厚度和宽度偏高，不利于器件布局和外壳设计（例如和 U.2 接口放在同一面的话，接入硬盘时可能会顶到硬盘外壳）。此外，这一年中嘉立创又解除了六层板免费打样必须有 BGA 器件的限制，因而我决定重置升级此项目。

与先前项目相比，本项目主要有如下变更：

连接器更换为 I-PEX 20455 050E，配套线材为 I-PEX 20453 50P 异面/反向线，体积大幅减小，常用于 eDP 屏线；
针对 嘉立创六层 3313 叠构 设计阻抗，PCIe 数据线差分阻抗 85 Ω，时钟线差分阻抗 100 Ω ，且加入了更多阻抗控制设计；
绝大部分贴片器件均放在顶面（除了配置 LED 的 0 Ω 电阻，见后文详述），可使用嘉立创经济型贴片贴装，不再需要手工焊接 U.2 母座；
添加了两个固定孔并调整了孔位，不再兼容 2080 铝型材了 :( ，但是有配套的外壳和适配某 NAS 机箱的支架 :) （还在设计中）；
移除了对风扇“菊花链”的支持，仅保留一个连接了 12V 和 GND 的 4Pin 针座位置。

制造

本项目针对 嘉立创六层 3313 叠构 (JLC06161H-3313) 设计阻抗，板厚约 1.6cm, 铜厚 1/0.5oz, PCB 尺寸在 10cm x 10cm 以内，最小过孔内径 0.3mm。最小器件尺寸为 0402 ，最短焊盘中心距离 0.5 mm ，绝大部分贴片元件位于顶面，上下两边有 5mm 空间无贴片器件，顶面有 4 个贴片识别标记点，可使用嘉立创六层沉金打样券和经济型贴片（不选择“金手指斜边”工艺，否则会被认定存在特殊工艺，只能选择标准型贴片）。

U.2 母座封装参照富士康 LU25683 设计，或许可以兼容其他鱼叉脚固定的型号。如需机器贴片，建议购买后缀 9H 的型号 (LU25683-A001-9H)，为编带包装且带有顶盖。后缀为 4H 的型号为托盘包装，不带顶盖。

使用

本背板需要主板支持 PCIe 拆分功能，最好能将 x16 插槽拆分为 4+4+4+4 ，如果只能拆分为 8+4+4 ，则系统可能无法识别一个或多个 U.2 接口上的硬盘。

沿 CN1-2 上方细长的开槽处切开，使用 I-PEX 20453 异面/反向 极细同轴线连接 CN1-CN3 ，CN2-CN4 。该线材某宝上有一家售卖，300mm 长度的每根价格不超过 25R 。

在 PCIe 子板上有一个 XT30 PW-M 母座的焊盘，可以由此从 PCIe 插槽取出 12V 电压，连接到背板的 XT30 UPB-M 母座给硬盘供电。但根据 PCIe 规范，插槽至多提供 75W 供电能力，而 U.2 盘满载功耗通常可达 25W ，因此从插槽取电时，不建议在背板上连接多个大功率硬盘。对于常见的 ATX 电源，推荐使用 PCIe 6Pin 给背板供电。3.3V 供电可使用板载降压模块 (U1) 或外接供电 (CN10, 2.54 脚距)。

建议在连接硬盘上电前检查是否存在短路、各信号是否连通、电压是否正常等，以免出现插电开机大电牛的情况。

设计

阻抗控制

相比上一版，本设计采取了更多阻抗优化措施，例如：

挖空焊盘下方一层铺铜，做跨层参考；
确保所有差分线邻近的参考地平面附近无走线分割，数据线上无丝印覆盖；
移除过孔上未使用的焊盘，并添加反焊盘；
扩大了差分线到同层铺铜的间距，移除了差分线之间残余的地铜；
调节等长时减小蛇形线振幅；

但由于布局改变，引入了另一些影响阻抗的负面因素：

有一半的数据线和所有的硬盘时钟线经过了两次过孔（顶面-底面/内层-顶面），输入参考时钟经过了三次过孔；
时钟缓冲芯片位置不佳，时钟线走线较长；

理想上时钟缓冲器应该放在板子左侧中间的位置，和 I-PEX 连接器 (CN 1-4) 以及 U.2 的时钟引脚均距离较近，但其外围器件占地较大，容易与连接器和固定孔位冲突。如果各位大佬有优化建议欢迎提出。

电源与散热

12V 主供电仍然保留了 PCIe 6Pin (CN7) 和 XT30 (CN8-9) 两种连接方式，由于时钟缓冲器摆位和扩大散热开孔的缘故，12V 铺铜宽度相比上一版有所降低，但应该仍然足以应对每盘 25W 的需求。取消了原设计中放在板边的表贴固态电容，改为在每个 U.2 母座旁边预留一个直插电容的通孔焊盘 (C13-14, C23-24)，可以从背面加装电容。

3.3V 供电降压模块由 NAE12S03 更换为 TPS82130 (U1) ，成本略微降低。同样在板上预留了 2.54 间距的连接到 3.3V 和 GND 的通孔焊盘 (CN10, CN11) ，可选择不贴降压模块而焊接插针，改为外接供电。也可以选择贴降压模块，同时从插针取 3.3V 输出，但不建议既贴降压模块又从插针输入 3.3V ，可能会损坏模块。

除了前述移除风扇“菊花链”功能外，还移除了在板上直接固定 8cm 风扇的设计。该设计对板子布局有较大干扰，如开孔处无法布线，风扇对应范围内不能放置直插甚至较高的贴片元件等。这版设计中只保留了一个 4Pin 风扇插针 (CN5) ，且测速和调速线空置，如需这两个功能可以自行飞线。后续可能将风扇移到外壳上固定。此外，相比先前版本，这一版的通风开槽面积更大。

机箱与支架

此背板可配合转接支架，将原本支持 6x 3.5' 硬盘的御夫座 NAS 机箱（铝版），改造为支持 8x 2.5' U.2 硬盘，支架模型文件见附件。据称天箭座机箱的硬盘仓结构与御夫座相同，但并未测试此支架是否兼容天箭座或铁版御夫座机箱。

安装效果如图：

SSD 1-3 位置硬盘可在机箱前部的在位/活动指示灯上显示（因机箱上仅有三组指示灯，最下方的 SSD0 不支持）：

支架和背板安装步骤如下，由于支架的尺寸裕量较小，建议固定支架和背板的螺丝不要一次拧死，在安装上硬盘微调位置后再拧紧，但六角螺柱应直接固定到位：

拆下原装硬盘架和背板，将电源和指示灯排线穿到硬盘仓；
在支架上安装 M3 螺纹、5mm 高的六角螺柱，使用螺母固定：
将支架从硬盘仓前方斜着放入到位，再转至竖直，使用原装硬盘架和背板螺丝将支架固定到硬盘仓上；
将同轴线连接到背板上，放入硬盘仓，再使用 M3 螺纹、4mm 长度圆头螺丝将背板固定到支架的螺柱上（螺丝头部直径不可超过 6mm），注意同轴线应恰好从两螺柱以及背板和支架中间的空隙穿过；
连接电源和指示灯线；
将同轴线穿到主板仓，连接到 PCIe 子板上，并安装到主板插槽；注意同轴线的连接顺序，背板上靠下的同轴线应连接到子板靠近 PCIe 挡板的一侧；300mm 长的同轴线，足够将靠近 CPU 一侧的背板对应的子板安装到主板第三槽，或将靠近 PCIe 插槽一侧的背板对应的子板安装到主板第一槽；
安装硬盘，可在硬盘固定螺丝孔上安装前述 M3 螺纹、5mm 高的六角螺柱，或 M3 螺丝和直径不超过 6mm 的螺母或垫片，然后将硬盘沿支架开槽滑入到底，连接到背板；
可适当使用胶带等工具封闭部分空隙，控制气流路径，保障散热效果。

辅助功能

为了适配铝版御夫座机箱的硬盘在位/活动指示灯，这一版在右侧预留了一个 7Pin 针座的焊盘 (CN6) ，连接 SSD 1-3 的 ACT 和 IFDET 引脚。为了避免冲突，在板载的活动指示灯 (LED1-4) 和对应的 ACT 引脚之间加入了 0Ω 电阻 (R21, 23, 25, 27) ，放置在背面。如果你不需要在该机箱上使用，且想看板载的活动指示灯，可以用一坨锡将这些电阻的焊盘分别连起来。

测试

PCIe 4.0

使用三个 m.2 硬盘 (PM9B1, TiPlus 7100) 转接至 u.2 接口，接到一台 5950x + x570 机器上测试，配置好主板拆分为 x8/x4/x4 ，三块硬盘均可识别并成功协商至 PCIe 4.0 x4 ，跑至硬盘标称读写速率：

PCIe 3.0

使用四个 m.2 硬盘 (PM9B1, BC711) 转接至 u.2 接口，接到一台 E5 v4 + C612 机器上测试，配置好主板拆分为 x4/x4/x4/x4 ，四块硬盘均可识别，并成功协商至 PCIe 3.0 x4 ，跑至硬盘标称读写速率：

图片

v1.0 版本：

已知问题

v1.1

背板上 20455 连接器信号扇出部分走线可调整，为散热开槽避让出更大空间；
SSD 部分时钟走线可优化，缩减长度并减少对辅助信号布线影响；
8639 连接器位置需微调，减少硬盘与两侧支架的冲突；
12V 和 GND 部分阻焊应开窗，增强载流能力；
时钟缓冲器和降压模块背面阻焊应开窗，增强散热效果；
PCIe 子板上 12V 连接器应换为 XT30PW-F ，固定脚占用空间更小，布局更灵活；
背板上指示灯排线附近丝印标识错误；

参考

本项目设计时参考了以下设计和文档，在此对各位作者表示感谢：

PCIe 转四盘位 U.2 背板 (eDP 版)

工程标签

简介

采用六层板和 I-PEX 20455 连接器更新设计的 PCIe 转四盘位 U.2 硬盘背板。

开源协议

BSD License

描述