【手搓万兆软路由与NAS】第3篇：硬件原理图设计

正如前两个帖子所述，基本的硬件功能和接口已经确认，那么现在进行原理图设计。

1. 整板供电

(1)LattePanda Mu供电

根据官方的开发资料, LattePanda Mu的供电范围是9~20V，供电方式也很简单，只需要把所有的VIN管脚（pin 250 ~ pin260, 共11个管脚）和所有的GND管脚连接到9~20V电源即可。不需要其他供电了。

(2)USB供电

不管是USB2.0还是USB3.0，均是5V供电。当然，供电能力有点不同。

通常对于USB2.0，5V电源要有500mA以上的驱动能力。对于USB3.0，5V电源要有1A以上的驱动能力。

USB接口的线序说明

(3)HDMI供电

HDMI接口有5V供电管脚，主要给低功耗设备、EDID/DDC等使用，输出电流50mA以上即可，因此输出功率不高。可以共用USB 5V的管脚。

另外，HDMI的I2C是5V电平，而LattePanda Mu HDMI的I2C接口电平是3.3V，需要做电平转化，可用NMOS来实现，因此还需要3.3V供电给NMOS，由于只是信号电路，不是功率电路，用一个3.3V LDO即可。

HDMI接口的线序说明

(4)PCIe供电

PCIe插槽有12V和3.3V两种供电。如果要PCIe插槽提供全功率电源，那么12V电源要有5A供电能力，3.3V电源要有3A供电能力。

由于我设计的底板将会有3个PCIe插槽，对于12V电源来说，功率比较大，板载稳压电路会很复杂，因此为了降低硬件难度，就直接使用12V电源适配器来给PCIe的12V部分供电。

当然，这也要保证输入的一定是12V电源，如果超过安全值，就要进行过压保护，防止高电压流到PCIe插槽的12V管脚，这就需要一个12V OVP电路。

下图是一个经典的MOS管搭建的OVP电路，带软启动。当输入电压超过13.8V时，输出将关闭。

对于3.3V部分，使用DC-DC同步降压电路即可。我习惯使用SY8113BADC，耐压18V，3A输出电流，外围简单，管脚分布合理。如需要更高的耐压，可用SY8253ADC，耐压可达23V。

PCIe插槽的线序说明

(5) 整板供电树

按照上述各个模块的供电需求，拟定的整板供电树如下所示。

（先通过12V OVP电路，再通过各个降压电路分别得到5V和3.3V电源）

2. HDMI接口原理图

HDMI直接拷贝官方的设计即可。

使用TMDS信道，共4路差分线，其中三路是信号，一路是时钟。

所有TMDS差分信号线，均串有100nF的交流耦合电容（AC Coupling Capacitor ），并通过470Ω的电阻被NMOS可控的下拉到GND。

另外I2C需要用NMOS进行5V和3.3V电平的转换。

由于HDMI是可插拔接口，连接外部显示器，因此需要加上EDS保护管，防止被静电打坏。

具体原理图如下图所示：

3. USB接口原理图

USB只有2.0部分，因此比较简单。由于USB接口也是外接可插拔设备，因此需要有EDS保护。

官方参考设计电路中，USB部分使用的是自恢复保险丝，但是自恢复保险丝无法精准限流，且响应时间慢，因此我改用LP5308B6F芯片。该芯片具有5.85V过压保护和可调限流保护（最大2.5A）功能。

如果不需要过压保护功能，可使用MT9700芯片。

4.风扇接口原理图

底板上至少会有2个风扇接口。

一个是给LattePanda Mu风扇专用的，5V供电，支持调速。实际测试中发现，在睡眠状态下，风扇转速会出现不可控，不知道官方会不会修复这个问题。我直接使用PMOS管，对风扇的5V电源开关控制，在睡眠状态下关闭供电，从而避免风扇转速不可控的问题。

另一个是给机箱风扇用的，12V供电，支持调速。接入市面上常见的12cm机箱风扇，给各类PCIe板卡设备散热。

5.PCIe接口原理图

每个PCIe接口，有12V和3.3V电源，PCIe TX差分对和PCIe RX差分对，REFCLK差分对时钟信号，还有WAKE、RST信号。

REFCLK差分对时钟信号提供100MHz的时钟信号给PCIe设备，如果不用CLKREQ功能，可认为REFCLK差分对一直对外输出100MHz时钟信号，不用管PCIe和REFCLK的编号关系。

PCIe TX差分对通常串有220nF的交流耦合电容，而PCIe RX差分对则不用，因为交流耦合电容在外接的PCIe设备上。

根据Intel给的Flexible IO Lanes分配表，要实现2个PCIe x4和1个PCIe x1的配置，HSIO的分配是：

HSIO0~3和HISO8~11分给2个PCIe x4；HSIO6分给PCIe x1。

另外，如要做NAS，连接4块固态硬盘，那么需要的分配是：4个PCIe x2和1个PCIe x1。此时4个PCIe x2就需要4路REFCLK时钟信号。我把时钟信号接到了A32和A33管脚，这两个是保留管脚，我可以自行设计PCIe转NVMe SSD转接板，直接使用2路时钟信号，避免了使用额外芯片将时钟信号一分多的问题。

至此，原理图设计阶段结束了。下面就是PCB设计阶段了。

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