電信系統(tǒng)的熱插拔設(shè)計:避免拼湊、支持高效設(shè)計

本應(yīng)用筆記討論了熱插拔電路在常備系統(tǒng)中的重要作用和電路優(yōu)化，本文以電信系統(tǒng)作為需要插入背板的微處理器板卡的例子?！笆冀K保持有效運轉(zhuǎn)”的系統(tǒng)定義為不會因為維護(hù)或整修而斷電的系統(tǒng)，本文涉及的“5個9”高度可靠系統(tǒng)幾乎意味著零關(guān)斷。如此可靠運行的設(shè)備必須依靠熱插拔電路，在不關(guān)閉整體系統(tǒng)電源的前提下插入或拔出維護(hù)板卡。本文詳細(xì)介紹了熱插拔電路，對一些拼湊而成的熱插拔方案加以分析，說明了這些方法中存在的缺陷。本文還闡述了新一代高集成度控制器，這些熱插拔控制器從根本上克服了早期設(shè)計的問題。

類似文章于2010年7月19日發(fā)表在Planet Analog網(wǎng)站。

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引言

與其它復(fù)雜的多卡系統(tǒng)類似，電信系統(tǒng)是由插入背板的微處理器板卡系統(tǒng)的集合。這類“始終保持有效運轉(zhuǎn)”的系統(tǒng)通常包括：專用交換機(PBX)、蜂窩基站(BTS)、刀片式中心(BCT)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信和存儲系統(tǒng)。系統(tǒng)一旦上電運行，將不允許斷電中止服務(wù)或進(jìn)行維護(hù)。

通常用“5個9”描述這些系統(tǒng)，即99.999%地保持有效運轉(zhuǎn)，這意味著幾乎為零的關(guān)斷時間。對于工作在這一級別的系統(tǒng)，必須允許在保持整個系統(tǒng)工作的狀態(tài)下插入或拔出板卡，以便對系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)、升級和配置，有時甚至是在不影響系統(tǒng)工作的狀態(tài)下進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展。

本文討論了板級工程師目前在設(shè)計熱插拔電路時所采取的一些拼湊式方案，并在隨后探討了幾種新一代熱插拔控制的創(chuàng)新方案?！盁岵灏巍倍x中重點強調(diào)了電壓瞬變，文中介紹了拼湊式熱插拔控制方案的一些負(fù)面影響。文章最后介紹了近期推出的熱插拔控制創(chuàng)新技術(shù)。

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熱插拔事件：理解瞬變

圖1. 多PCB基板系統(tǒng)

熱插拔事件：板卡插入、拔出時產(chǎn)生的浪涌電流尖峰

熱插拔表示在全速運轉(zhuǎn)、沒有斷電的系統(tǒng)中插入或拔出板卡、電纜或其它裝置。利用合理的設(shè)計，帶電插入板卡時不會在電源或系統(tǒng)的輸入、輸出信號上產(chǎn)生任何干擾。

當(dāng)一個背板插入所有板卡并保持全速運轉(zhuǎn)時(圖1)，背板上的板卡均處于帶電狀態(tài)。這意味著每塊板卡的電源輸入端都有一個大電容，而且這個旁路電容處于完全充電狀態(tài)。電源輸入端的大電容為電源設(shè)計提供了個重要作用：為板卡的下游電路提供穩(wěn)定的供電電壓，消除旁路電容上的擾動以滿足負(fù)載的瞬態(tài)供電需求。

如果將機架上尚未充電的一塊板卡插入帶電背板時，將會發(fā)生幾種情況。參考圖2，在新插入并開始上電的PCB上，用于旁路和濾波存儲的大電容將呈現(xiàn)瞬間短路并開始充電。充電電荷來自于帶電系統(tǒng)，電容C1、C2和C3 (這些其它板卡上已經(jīng)充電的電容將開始放電)。這種不受控制的電容充電(或放電)將對新插入板卡上的電容注入較大的浪涌電流。浪涌電流的幅度可能在極短的時間內(nèi)達(dá)到數(shù)百安培，取決于實際系統(tǒng)。

隨著電容快速充電，它們將表現(xiàn)為短路狀態(tài)，瞬間吸收較大的電流。圖3給出了注入電解電容的浪涌電流的波形圖，以及電容充電時兩端的電壓。從曲線圖可以看出，電流峰值達(dá)到了9.44A，從系統(tǒng)吸取較大功率，這將導(dǎo)致背板系統(tǒng)的電容放電。從而使電源電壓跌落，可能造成相鄰板卡復(fù)位，引入數(shù)據(jù)傳輸故障或嚴(yán)重干擾其它系統(tǒng)的運行。

瞬間浪涌電流的幅度是負(fù)載(早供電)電容的函數(shù)，負(fù)載電容越大(并且，ESL和ESR越低)，峰值浪涌電流越大。


圖2. 電路板插入順序和上電時的浪涌電流


圖3. 注入電解電容的浪涌電流和電容充電時兩端的電壓

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電壓瞬變的影響可能導(dǎo)致系統(tǒng)失效

任何系統(tǒng)中，這些背板的電源通常提供電流限制。熱插拔過程中所產(chǎn)生的電壓瞬變可能對已插入背板的板卡造成嚴(yán)重威脅。浪涌現(xiàn)象會導(dǎo)致背板電源的跌落，而背板電源總線的電壓跌落和/或電源上的脈沖干擾可能造成系統(tǒng)意外復(fù)位。不受限制的浪涌電流還會導(dǎo)致元器件損壞：板卡旁路電容被燒毀、印刷電路板(PCB)引線被燒斷、背板連接器引腳和/或保險絲被燒斷(這可能是受到破壞的主要部件)。

背板電源總線的跌落會在要插入系統(tǒng)的板卡電源上產(chǎn)生擾動或脈沖干擾，也會導(dǎo)致相鄰板卡產(chǎn)生復(fù)位或影響背板與卡之間的通信(造成通信錯誤)。背板通常采用差分總線(LVDS/LVPECL/光纖通道/其它)，必須滿足信號規(guī)格以確保通信正常。熱插拔期間由于V_CC電源電壓和地電平的變化，會在信號總線上引入共模噪聲?？紤]到這一潛在問題，熱插拔控制電路必須采取保護(hù)措施，避免在背板上產(chǎn)生強噪聲而導(dǎo)致總線的數(shù)據(jù)通信錯誤。

另外一個容易忽略的問題是系統(tǒng)的長期可靠性，設(shè)計不當(dāng)?shù)臒岵灏?a href="http://ttokpm.com/tags/保護(hù)電路/" target="_blank">保護(hù)電路會使電路板上的元器件在長期受到熱插拔事件的沖擊下而損壞。本質(zhì)上講，每次熱插拔操作都類似于從硅片上“抽取”綁定線，這種周而復(fù)始的操作最終會引起毀滅性的破壞。解決這一問題的有效途徑是對熱插拔板卡的浪涌電流峰值加以控制。

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浪涌電流控制的“拼湊”方案

有幾種已知的峰值浪涌電流控制方式，有些方法基于工程分析，有些方法則僅僅是降低了熱插拔對系統(tǒng)的影響。下面對介紹了幾種拼湊式的實施方案。

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預(yù)充電引腳或“早供電”(例如：電阻法)

一種控制浪涌電流的方法是使用“交錯式引腳”，也稱為“早供電引腳”、“預(yù)充電壓”或者是“預(yù)先加載”引腳。從物理架構(gòu)上引入交錯引腳，從而使新板卡正確插入，這種連接方式曾經(jīng)風(fēng)靡一時。熱插拔過程中，通過串聯(lián)電阻控制浪涌電流。

預(yù)充引腳法是一種最基本的熱插拔控制方案，通過一長、一短兩個電源引腳組成，如圖4所示。長電源引腳首先接觸到電源并通過一個串聯(lián)電阻R_PRECHARGE開始為新板卡的濾波、旁路電容充電。R_PRECHARGE限制充電電流。板卡將要完全插入時，短電源引腳接入電源，從而旁路連接在長電源引腳的電阻R_PRECHARGE，為板卡供電提供一個低阻通道。信號引腳通常在插入板卡的最后時刻接入。


圖4. 智能連接器提供有效的熱插拔保護(hù)

該方案中，電阻R_PRECHARGE是保護(hù)器件，把浪涌電流限制在不至于燒壞引腳或干擾相鄰板卡工作的水平。有些工程師還會在此架構(gòu)中對地增添一個電感和/或二極管。

本文將預(yù)充引腳法當(dāng)作一種“拼湊式”方案的主要原因是其不能控制濾波電容的充電速率。這種架構(gòu)需要考慮兩個關(guān)鍵因素：短引腳相對于長引腳的線長，板卡插入系統(tǒng)的快、慢。另外，這是一種機械方案，考慮到連接器的機械容差，完全相同的引腳長度并不能確保接觸時間精確相同。實際應(yīng)用中用戶會看到上述不同變數(shù)。而且，當(dāng)短電源引腳略長、PCB被快速插入背板時，R_PRECHARGE將在輸入電容充滿電之前被短路，因此，這種看似可靠的方案實際存在一定隱患，不能可靠控制浪涌電流。

該架構(gòu)的另一個關(guān)鍵設(shè)計步驟是選擇R_PRECHARGE，如果電阻選擇不合理，將會直接影響系統(tǒng)工作。預(yù)充電阻的選擇必須權(quán)衡預(yù)充電流和浪涌電流。

最后，交錯式引腳方案需要一個特殊的連接器，這在行業(yè)中也是難以接受的。

從上述討論可以看出，預(yù)充引腳架構(gòu)的作用非常有限，也很難達(dá)到精確可靠的水準(zhǔn)。它對于啟動過程中的電流控制毫無價值，也不具備輸出過壓(OV)和欠壓(UV)監(jiān)測功能。