立创开源DIY带SW3518S快充的PCIE转NVMe/SATA扩展卡设计与实测最近在折腾一个多盘位硬盘盒需要给它诱骗PD供电结果发现手边的充电头大多只支持私有协议通用性不强。翻箱倒柜时看到电脑模组电源上还有几个空闲的接口又瞅了一眼闲置的M.2扩展卡挡板一个想法冒了出来能不能把这两个“闲置资源”结合起来做一张既能扩展硬盘又能给设备快充的“二合一”扩展卡呢说干就干。今天我就来和大家分享一下这个DIY项目的全过程从方案选型、硬件设计到最后的实测验证。无论你是想给自己的台式机增加一个方便的桌面快充口还是对硬件设计感兴趣的创客这篇手把手的教程都能给你一个清晰的参考。1. 核心方案与芯片选型这个项目的核心目标有两个一是实现PCIE转M.2 NVMe/SATA二是集成一个多协议快充模块。快充模块的选型是关键。1.1 为什么选择SW3518S在众多快充芯片中我最终选择了SW3518S。这是一颗高度集成的多协议双口充电芯片可以说是“一颗芯片搞定所有”。它的优势非常明显协议全支持几乎囊括了市面上主流的快充协议包括PD最高100W、PPS、QC、AFC、FCP、SCP、PE、SFCP、VOOC等。这意味着它能为绝大多数手机、平板、笔记本提供快充。双口独立支持A口和C口任意口快充并且两个口可以独立限流互不干扰。集成度高芯片内部集成了5A高效率的同步降压变换器外围只需要很少的元器件就能组成一个完整的充电方案大大简化了我们的设计难度和PCB布局。性能强劲最大支持PD 100W输出20V/5A对于给笔记本供电都绰绰有余。注意在最初的设计图中我标注的是SW3516但实际焊接和验证使用的是SW3518S工作完全正常。根据资料SW3516/SW3517/SW3518在这个设计上应该是可以通用的大家手头有哪颗就用哪颗。1.2 扩展卡功能概述这张卡本质上是一个“二合一”产品硬盘扩展功能通过PCIE x4或x1金手指将主板的PCIE通道和SATA通道引出来转接成一个M.2 NVMe接口和一个M.2 SATA接口。快充功能通过外接显卡8PIN或6PIN供电口从电脑电源取电经由SW3518S电路提供一个USB-A和一个USB-C快充输出口。重要提示这个快充口仅用于供电不支持任何数据传输功能比如连接U盘或手机传文件。它的定位就是一个纯粹的、高性能的充电器。2. 硬件设计详解与要点设计是在立创EDA上完成的。为了让更多朋友能“白嫖”打样我把板子尺寸严格控制在了100mm x 100mm以内。下面聊聊设计中的几个关键点。2.1 PCIE信号与阻抗控制PCIE信号是高速差分信号对阻抗匹配要求很高否则会导致信号质量差硬盘掉速甚至无法识别。目标阻抗PCIE差分对的特性阻抗需要控制在100Ω。叠层与板材我使用了嘉立创的JLC04161H-3313阻抗管控标准对应的叠层。打板时板厚一定要选择1.6mm这是标准PCIE扩展卡的厚度。工艺建议如果条件允许可以向板厂提出以下要求能进一步提升质量金手指做30°斜边便于插入主板插槽。板材选用生益TG140它的高温性能和稳定性更好。对于更长的22110规格版本我使用了04161H01-2116叠层结构同样将差分阻抗控制在100Ω。2.2 供电系统设计供电的稳定是硬盘和快充模块正常工作的基础。这里我没有直接使用主板通过M.2接口提供的3.3V供电而是选择了独立降压方案。为什么不用主板直供的3.3V主板提供的3.3V电流可能有限且质量可能参差不齐。独立供电可以确保给硬盘提供更纯净、更稳定的电压尤其当同时使用NVMe和SATA两块硬盘时。我的供电方案硬盘供电从主板的12V通过PCIE金手指取电然后通过两路独立的DC-DC降压电路分别产生3.3V给NVMe硬盘和SATA硬盘。标准版使用了双路SY8120降压芯片。22110加长版使用了双路SY8286降压芯片。快充供电直接从电脑电源的显卡8PIN或6PIN接口取电。这个接口能提供充足的12V功率是快充模块100W输出的能量来源。2.3 兼容性与物理安装为了让这张卡能在更多电脑上使用我设计了两种金手指版本PCIE x4 和 PCIE x1。x1版本可以插在任何PCIE插槽上兼容性最好。关于硬盘安装有个重要的注意事项如果你焊接了快充的USB-A口那么M.2接口推荐使用8.6mm高的母座并在板上安装7mm或8mm的SMD螺柱。同时硬盘最好选用单面颗粒的型号。为什么呢因为双面颗粒的硬盘背面颗粒可能会和快充的USB-A口在物理空间上冲突导致无法安装。这是我设计时踩过的一个坑大家务必留意。如果你不需要快充功能那就简单了。可以不焊接快充相关元件然后使用标准的、孔距正常的PCIE挡板比如从旧SAS卡或服务器固态上拆下来的半高/全高挡板替换即可。我测试过Intel P3000系列的全高挡板是可以兼容使用的。3. 实测验证快充与硬盘性能设计完成打板焊接接下来就是最激动人心的测试环节了。我搭建了两个测试平台。测试平台1老平台验证兼容性主板华硕 ROG MAXIMUS VIII GENECPUIntel Xeon E3-1220 v5系统Windows Server 2022测试盘三星 PM9B1 (NVMe), 西数 SN530 (NVMe系统盘)测试平台2新平台测试高性能主板微星 B660M Mortar WiFi MAXCPUIntel 12900HX ES系统Windows 11测试盘美光 3500 (PCIe 4.0 NVMe) SM2246EN DIY固态 (SATA)3.1 快充功能测试快充模块的设计目标是支持45W我个人设备够用但其硬件基础支持最高100W的PD输出。基础诱骗测试使用CH224K诱骗芯片设置诱骗目标为12V模块成功输出12V电压证明PD协议通信正常。真实设备测试一加 Ace 2 手机成功触发PD快充功率达到该手机支持的PD上限9V/2A (18W)。Redmi NOTE 14 Pro 手机使用A口进行测试同样成功触发9V/2A (18W)的PD快充。测试表明SW3518S方案成功识别并兼容了这些设备的快充协议工作稳定。3.2 硬盘扩展性能测试这是扩展卡的本职工作必须测明白。美光 3500 (PCIe 4.0 NVMe)在B660主板的PCIE 4.0通道上性能完全发挥。顺序读取超过6500MB/s顺序写入超过4000MB/s达到了PCIe 4.0 x4接口的预期性能证明转接卡对高速信号的支持很好。三星 PM9B1 (NVMe)和西数 SN530 (NVMe)在老平台的PCIe 3.0通道上也都能正常识别并全速运行说明向下兼容性没问题。SM2246EN DIY固态 (SATA)SATA接口的硬盘也被正确识别读写速度符合SATA 3.0规范。一个重要细节板上有一个关于PRSNT信号的电阻。PRSNT信号是用来告诉主板“有设备插入”的。如果你只使用SATA接口的硬盘可以把下图对应的电阻去掉。这样主板会一直检测到有PCIE设备存在。对于某些PCIE通道数较少的主板这可能会影响到通道的分配需要注意。4. 总结与心得这个项目做下来感觉非常实用。它把电脑里闲置的PCIE插槽和电源接口变成了一个高性能的硬盘位和一个桌面级的百瓦快充站极大地提升了台式机的便利性。回顾整个设计和调试过程有几点心得想和大家分享阻抗控制是高速电路的命门PCIE、NVMe这些都是高速信号画板子时一定要严格按照板厂提供的叠层和线宽线距来计算和控制阻抗不能凭感觉。供电要独立且充足特别是快充模块功率可能很大。直接从显卡8PIN取电是最稳妥的方案线径要够粗PCB上的电源走线也要足够宽。空间规划要提前考虑就像我遇到的USB-A口与双面硬盘冲突的问题在布局阶段就要用3D模型检查一下所有元器件的干涉情况尤其是这种立体空间紧凑的设计。兼容性测试要全面多找几块不同芯片组、不同品牌的主板试试多换几种型号的硬盘测测才能确保设计的鲁棒性。这个项目的所有设计文件原理图、PCB都已经在立创开源平台开源。如果你也想动手做一个或者想基于这个设计进行修改都可以去下载。DIY的乐趣就在于折腾和分享希望这个项目能给你带来一些灵感。