M.2 para piratas informáticos

La última vez, expliqué todo lo que podrías querer saber si quisieras poner un zócalo M.2 en tu placa. ¡Hoy, construyamos tarjetas M.2! Hay una miríada de enchufes M.2 por ahí que solo piden que se inserte una tarjeta especial en ellos, y tal vez, será su creación la que encaje.

Las computadoras portátiles y otras placas base x86 a menudo vienen con ranuras M.2. ¿Tienes una ranura para tecla B libre? Puede colocar un RP2040 y un montón de sensores en una PCB B-key como una plataforma experimental que se lleva de forma segura dentro de su computadora portátil. ¿Le gustaría hacer algunos experimentos FPGA más avanzados? Aquí hay una placa FPGA minúscula que cabe dentro de su computadora portátil y le permite jugar con PCIe en esta misma computadora portátil: toda la configuración ocupa muy poco espacio. ¿Está buscando un enlace PCIe adicional porque está reutilizando su computadora portátil como servidor doméstico? Nuevamente, su ranura WiFi le proporcionará eso. ¿Quieres sacar algo de PCIe de un SteamDeck? ¡Construir una tarjeta M-key 2230 parece ser su única esperanza!

También hay mucho espacio para dispositivos más simples y menos activos. ¿Solo tiene una ranura para llave M de repuesto, tal vez, una ranura para llave A o E? Puede reemplazar su adaptador WiFi con un SSD adicional para almacenamiento adicional, o quizás, al revés, coloque una segunda tarjeta WiFi en su segunda ranura SSD para todas sus necesidades de almacenamiento. ¿Acaba de encontrar algunos rastros de puertos SATA no utilizados en su placa base? Puede hacer lo que hice y crear una tarjeta M.2 de doble puerto que divida un zócalo SSD más lejos de su riel de alimentación, al que puede conectar ese puerto SATA adicional y colocar un SSD SATA M.2. ¿Acabas de ¿Descubrió que su conjunto de chips puede brindarle cuatro puertos SATA completos en la ranura SSD M-key? ¡Puedes hacer lo que hizo mi amigo y construir una tarjeta que rompa estos puertos SATA!

Incluso fuera de x86, bastantes SBC ARM tendrán los mismos problemas: tienen un zócalo M.2 con una clave específica, digamos, B, que no se ajusta a algún extensor M.2 que acaba de comprar, bueno, resulta que usted puede hacer un adaptador por su cuenta. ¿Qué hay de ir más allá del estándar? Por supuesto, está el ecosistema SparkFun MicroMod que mencioné antes. ¿Le gustaría desarrollar una placa de CPU MicroMod que funcione con una miríada de otros dispositivos, o tal vez su propio sensor MicroMod? Esa es una tarjeta M.2 justo ahí; y si necesitas crear tu propio ecosistema usando M.2, nadie te detiene tampoco.

Por supuesto, podría diseñar tarjetas con tipos de valor agregado completamente diferentes. Por ejemplo, podría estar extrayendo dinero de los audiófilos mediante el diseño de SSD de "grado de audio" caros con condensadores electrolíticos de lujo en ellos. Y, si usted es un fabricante de SBC que usa un zócalo M.2 para su ranura de expansión, cuando los compradores dicen que quieren usar su SBC como un enrutador, nadie puede impedir que diseñe una tarjeta absolutamente extravagante y gigantesca con cuatro zócalos Ethernet en él.

Las tarjetas M.2 tienen tamaños estandarizados: 3042 para 30 mm de ancho y 42 mm de alto, 2260 para 22 mm de ancho y 60 mm de alto; Lo útil es que estas serán las dimensiones exactas de su PCB. La muesca del tornillo está centrada a diferencia de las tarjetas mPCIe y, por lo general, es un solo tornillo M.2. Verá personas que dicen que el tornillo es responsable de tener una conexión a tierra; no lo es, incluso si lo parece, los pines de tierra en el receptáculo en sí son suficientes, aunque las rutas de tierra adicionales tienden a ser agradables. De hecho, no es necesario que el área de la muesca exponga el cobre, ya que puede ser solo un recorte de PCB.

Si diseña una tarjeta para un dispositivo existente, tendrá una longitud de 42 mm o de 80 mm. 30 mm es raro fuera de SteamDeck y otros dispositivos de bajo espacio, y 60 mm es muy oscuro. 22 mm es un ancho para todo, excepto para las ranuras WWAN, que generalmente se diseñan teniendo en cuenta un ancho de tarjeta de 30 mm. No es necesario colocar todos los componentes en un solo lado de la tarjeta, aunque, por supuesto, le facilitará el montaje. Sin embargo, tenga en cuenta que algunos dispositivos usan un zócalo plano o de montaje medio, y los componentes altos en la parte inferior pueden convertirse en un problema que no esperaba.

M.2 requiere una PCB de 0,8 mm. No es necesario tenerlo ENIG, pero lo recomiendo. Tengo entendido que el recubrimiento de soldadura hecho con HASL se oxidaría más rápido y empeoraría el contacto con los zócalos de las tarjetas; dicho esto, nunca intenté usar HASL. ¡Sin embargo, estoy seguro de que HASL funcionaría lo suficientemente bien para prototipos de uso a corto plazo! Podría pensar que el tratamiento con dedos dorados es imprescindible, ya sea con oro más grueso en las almohadillas o con el borde biselado de la tarjeta; en mi experiencia, no se requiere ninguno de los dos, pero el oro más grueso aumentará los ciclos de conexión y desconexión y un borde biselado hará que la tarjeta sea una un poco más fácil de insertar. Personalmente, siempre he optado por ENIG regular sin biselar y tuve una gran experiencia.

Por supuesto, querrá una huella de borde de tarjeta en KiCad. Personalmente, he estado usando un complemento generador de huella de borde de tarjeta KiCad M.2, inicialmente creado por @STOP-Pi en GitHub y refactorizado por mí. Sin embargo, el autor eliminó su cuenta de GitHub en algún momento y el complemento ya no se carga en KiCad6: todas las huellas generadas se realizaron en KiCad5. Lo que es peor es que, entre mis cambios y el momento de la eliminación, incluso actualizaron el código del complemento, y podría haber sido que me perdí sus confirmaciones de compatibilidad con KiCad 6 antes de la eliminación. ¡Bienvenidos, las solicitudes de incorporación de cambios son bienvenidas! Mientras tanto, aquí están los bordes de la tarjeta A, B, E, M, A+E y B+M generados previamente que ya puede usar, y [timonsku] también ha creado una biblioteca Eagle que debería poder usar fácilmente. convertir a KiCad.

Es posible que se pregunte si necesitaría una PCB de cuatro capas, especialmente si desea hacer PCIe: con cuatro capas, se puede lograr una coincidencia de impedancia de 90 ohmios, mientras que la distancia a tierra de 0,8 mm en dos capas lo hace poco realista. Aquí está mi experiencia: he estado haciendo pequeños adaptadores PCIe durante un tiempo y han funcionado bastante bien en 2 capas, que es un requisito para mi flujo de trabajo específico de creación de prototipos. Por lo general, las tarjetas M.2 representan una distancia muy corta proporcionalmente a la longitud de todo el enlace PCIe que tendrá, y es probable que las desviaciones no impidan que el enlace PCIe funcione; son las distancias más largas las que pueden causarle problemas hasta que actualice su cableado. No me sorprendería ver una tasa de error más alta o que el enlace se degradara a una generación inferior durante el entrenamiento, pero apuesto a que su PCIe funcionará.

¿Necesitas quedarte con dos capas? Haga toda la igualación de impedancias que pueda, trate sus pares diferenciales con respeto y sus prototipos funcionarán bien; después de todo, se ha dicho que PCIe funciona sobre cadenas húmedas y hemos sido testigos de confirmaciones una tras otra. Mis pares diferenciales suelen ser de 0,35 mm / 0,15 mm, que se encuentran dentro de los límites del proceso económico de 2 capas y dan como resultado una impedancia de alrededor de 130 ohmios, que es imperfecta pero mejor que nada. Para cosas como PCIe y SATA, M.2 normalmente mantiene todos los pares diferenciales de alta velocidad en la parte superior de la tarjeta, y esto por sí solo ayuda mucho con aspectos como una capa de tierra ininterrumpida debajo de sus pares. Si su flujo de trabajo y presupuesto le permiten cuatro capas, ¡adelante!

Agregue un plano de mantenimiento del plano de relleno del suelo en el área donde van los dedos dorados; de lo contrario, podría provocar un cortocircuito en un montón de pines importantes del lado del host al insertar la tarjeta. El estándar también sugiere un plano de exclusión en las capas internas debajo de los dedos, así que tenlo en cuenta si optas por cuatro capas o más.

Al estarcir, asegúrese de que la pasta de soldadura no entre en contacto con los dedos de la tarjeta M.2; límpielos bien antes del reflujo si lo hace, porque es mucho más doloroso dejarlos libres de soldadura después. Los PCB de 0,8 mm son delgados, y si decide airearlos con aire caliente, fíjelos de una manera que no los estrese. pistola de aire caliente que, quizás, estaba un poco fuera de su calibración.

En términos de potencia, solo obtienes 3,3 V, en uno o dos amperios. Esto es tanto una bendición como una maldición: tiene mucha potencia y, por lo general, no necesita una regulación adicional, ya que la mayoría de los chips están bien con 3.3 V, pero todavía hay algunos buenos usos para 5 V. Fabricantes que necesitan obtener 5 V en una tarjeta M.2, tienden a recurrir a soluciones malditas: esta es la historia de un adaptador Dell que crea un zócalo de disco duro de 2,5″ a partir de M.2, que redefine uno de los pines GND como un pin de detección de tarjeta propietario y envía 5 V a un grupo de pines reservados si ese pin no está conectado a GND.

¿Está diseñando una tarjeta para un dispositivo existente y espera una determinada interfaz? Asegúrese de que realmente esté allí: como mencioné, puede esperar PCIe en los enchufes A, E y M, y USB 2.0 en los enchufes A, E y B, cualquier otra cosa no es un hecho. Si Internet no lo ayuda aquí, buscar rastros provenientes del zócalo podría funcionar, pero no siempre es infalible porque las señales pueden estar pasando por vías debajo del zócalo. Dicho esto, si puede detectar trazas o capacitores en serie de pares diferenciales, será una buena indicación, o tal vez, usar un multímetro para una prueba de diodo interno IC en USB2 o señales de un solo extremo como PERST / PEWAKE / CLKREQ estaría en orden. Después de todo, bastantes computadoras portátiles tienen ranuras B-key que solo tienen USB 3.0 (ThinkPad T460s), o incluso solo USB 2.0 (ThinkPad T470S), a pesar de que SATA y PCIe suelen estar disponibles.

Esto concluye la serie "M.2 For Hackers". Algunas cosas sobre M.2 pueden parecer extrañas cuando lo ves por primera vez, pero espero poder aclarar qué está pasando y cómo puedes participar en la acción. El ecosistema M.2 no desaparecerá en el corto plazo, ¡y ayuda si sabemos cómo adaptarlo a nuestra voluntad donde sea necesario!