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

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(yùn)轉(zhuǎn)”的系統(tǒng)定義為不會(huì)因?yàn)榫S護(hù)或整修而斷電的系統(tǒng)，本文涉及的“5個(gè)9”高度可靠系統(tǒng)幾乎意味著零關(guān)斷。如此可靠運(yùn)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(duì)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(jì)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(yùn)轉(zhuǎn)”的系統(tǒng)通常包括：專用交換機(jī)(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(chǔ)系統(tǒng)。系統(tǒng)一旦上電運(yùn)行，將不允許斷電中止服務(wù)或進(jìn)行維護(hù)。

通常用“5個(gè)9”描述這些系統(tǒng)，即99.999%地保持有效運(yùn)轉(zhuǎn)，這意味著幾乎為零的關(guān)斷時(shí)間。對(duì)于工作在這一級(jí)別的系統(tǒng)，必須允許在保持整個(gè)系統(tǒng)工作的狀態(tài)下插入或拔出板卡，以便對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)、升級(jí)和配置，有時(shí)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(jí)工程師目前在設(shè)計(jì)熱插拔電路時(shí)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(diǎn)強(qiáng)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

熱插拔事件：板卡插入、拔出時(shí)產(chǎn)生的浪涌電流尖峰

熱插拔表示在全速運(yùn)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(jì)，帶電插入板卡時(shí)不會(huì)在電源或系統(tǒng)的輸入、輸出信號(hào)上產(chǎn)生任何干擾。

當(dāng)一個(gè)背板插入所有板卡并保持全速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)(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(gè)大電容，而且這個(gè)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(jì)提供了個(gè)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(dòng)以滿足負(fù)載的瞬態(tài)供電需求。

如果將機(jī)架上尚未充電的一塊板卡插入帶電背板時(shí)，將會(huì)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(chǔ)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(duì)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(shí)間內(nèi)達(dá)到數(shù)百安培，取決于實(shí)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(shí)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(yùn)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(shí)的浪涌電流


圖3. 注入電解電容的浪涌電流和電容充電時(shí)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(duì)已插入背板的板卡造成嚴(yán)重威脅。浪涌現(xiàn)象會(huì)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(huì)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(xiǎn)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(huì)在要插入系統(tǒng)的板卡電源上產(chǎn)生擾動(dòng)或脈沖干擾，也會(huì)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(cuò)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(hào)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(huì)在信號(hào)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(qiáng)噪聲而導(dǎo)致總線的數(shù)據(jù)通信錯(cuò)誤。

另外一個(gè)容易忽略的問題是系統(tǒng)的長(zhǎng)期可靠性，設(shè)計(jì)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(huì)使電路板上的元器件在長(zhǎng)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(huì)引起毀滅性的破壞。解決這一問題的有效途徑是對(duì)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(duì)系統(tǒng)的影響。下面對(duì)介紹了幾種拼湊式的實(shí)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(cuò)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(cuò)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(shí)。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(zhǎng)、一短兩個(gè)電源引腳組成，如圖4所示。長(zhǎng)電源引腳首先接觸到電源并通過一個(gè)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(shí)，短電源引腳接入電源，從而旁路連接在長(zhǎng)電源引腳的電阻R_PRECHARGE，為板卡供電提供一個(gè)低阻通道。信號(hào)引腳通常在插入板卡的最后時(shí)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(huì)在此架構(gòu)中對(duì)地增添一個(gè)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(gè)關(guān)鍵因素：短引腳相對(duì)于長(zhǎng)引腳的線長(zhǎng)，板卡插入系統(tǒng)的快、慢。另外，這是一種機(jī)械方案，考慮到連接器的機(jī)械容差，完全相同的引腳長(zhǎng)度并不能確保接觸時(shí)間精確相同。實(shí)際應(yīng)用中用戶會(huì)看到上述不同變數(shù)。而且，當(dāng)短電源引腳略長(zhǎng)、PCB被快速插入背板時(shí)，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(shí)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(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)步驟是選擇R_PRECHARGE，如果電阻選擇不合理，將會(huì)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(cuò)式引腳方案需要一個(gè)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(duì)于啟動(dòng)過程中的電流控制毫無價(jià)值，也不具備輸出過壓(OV)和欠壓(UV)監(jiān)測(cè)功能。

熱敏電阻(電流-時(shí)間特性)法

另一種熱插拔實(shí)施方案是熱敏電阻熱插拔控制法。熱敏電阻為電子元件，阻值在溫度變化時(shí)將發(fā)生顯著變化(電阻是溫度的函數(shù))。根據(jù)溫度變化進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)節(jié)的電路應(yīng)用非常普遍。負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻的電流-時(shí)間特性取決于其溫度特性，在其應(yīng)用電路中的功率耗散很穩(wěn)定。電流-時(shí)間特性可以抑制短暫的高壓尖峰以及初始浪涌電流。圖5所示為基于熱敏電阻的熱插拔限流電路，配合一個(gè)外部MOSFET使用1。


圖5. 基于熱敏電阻的熱插拔電路1

采用熱敏電阻方案時(shí)，需要考慮作用在熱敏電阻上的瞬態(tài)峰值功率。設(shè)計(jì)人員必須考慮電路板環(huán)境溫度的變化(覆銅面積和氣流)以及熱敏電阻自身的因素，如果超出其額定電流和/或電壓，則會(huì)導(dǎo)致器件損壞。

對(duì)于熱敏電阻方案需要考慮幾個(gè)因素，例如，在電信系統(tǒng)中，一旦系統(tǒng)交付運(yùn)營(yíng)商使用，將不允許更改或重新設(shè)計(jì)板卡。由此，熱敏電阻可能會(huì)引發(fā)長(zhǎng)期可靠性問題，設(shè)計(jì)人員必須考慮負(fù)溫度系數(shù)(NTC)的反作用時(shí)間。另外一個(gè)關(guān)鍵問題是，當(dāng)板卡反復(fù)插入或拔出背板時(shí)，熱敏電阻可能沒有足夠的時(shí)間冷卻，從而在隨后的帶電插入事件中不能有效地限制浪涌電流。最后，熱敏電阻的特性參數(shù)會(huì)隨時(shí)間變化，這將導(dǎo)致系統(tǒng)的抗沖擊能力下降。

總而言之，該方案在需要根據(jù)溫度變化進(jìn)行調(diào)整的系統(tǒng)中能夠提供良好特性(例如，LCD偏置電源)，限制浪涌電流。但是，基于熱敏電阻的熱插拔控制器不能滿足系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠性的需求。
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分離式熱插拔電路

實(shí)現(xiàn)浪涌電流控制的另一渠道是利用幾個(gè)分離元件(顯然，多數(shù)工程師不會(huì)考慮拼湊式方案)。通常，利用分離電路配合獨(dú)立的MOSFET、功率檢測(cè)電阻及其它偏置元件實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)、斷路器和電流控制功能。分離式熱插拔電路設(shè)計(jì)非常復(fù)雜，而且很難調(diào)試(增加了設(shè)計(jì)和研發(fā)時(shí)間)，而且成本較高、占用較大的PCB面積。

重要的是，分離方案中，無源元件的寄生參數(shù)會(huì)對(duì)熱插拔電路造成較大影響。設(shè)計(jì)人員必須嚴(yán)格控制這些因素。電路中，利用電阻和電容控制電源的上升和下降時(shí)間、電流與電流及其它檢測(cè)條件。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須嚴(yán)格關(guān)注寄生參數(shù)對(duì)電路工作狀況的影響。

討論了上述三種拼湊式熱插拔方案后，我們還有更好的選擇。事實(shí)上，最好的解決方案是采用完全集成的單芯片熱插拔控制器，下一節(jié)將討論業(yè)內(nèi)最具創(chuàng)新的熱插拔方案，包括MAX5961熱插拔控制器。
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浪涌峰值電流控制

更高集成度

利用一個(gè)電路限制插入板卡的浪涌電流、提供過流和負(fù)載瞬變保護(hù)、降低系統(tǒng)失效點(diǎn)，工程師可以嚴(yán)格控制熱插拔保護(hù)板卡的長(zhǎng)期可靠性。市場(chǎng)上可以找到高度集成的熱插拔控制IC，有些控制器IC不需要外接檢流電阻。許多IC可以簡(jiǎn)單、高效地實(shí)現(xiàn)熱插拔保護(hù)功能，例如，在單一芯片內(nèi)支持下列功能：UV和OV保護(hù)；過載時(shí)利用恒流源實(shí)現(xiàn)有源電流限制；電源電壓跌落之前斷開故障負(fù)載；利用外部驅(qū)動(dòng)FET構(gòu)成“理想二極管”提供反向電流保護(hù)；多電壓排序；發(fā)生負(fù)載故障后自動(dòng)重試。

幾家模擬半導(dǎo)體公司已經(jīng)推出了各種方案，滿足不同系統(tǒng)的需求。新一代熱插拔IC集成了全面的模擬和數(shù)字功能，例如：板卡插入并完全上電后，可連續(xù)監(jiān)測(cè)電源電流。連續(xù)監(jiān)測(cè)功能可以在板卡正常工作期間繼續(xù)提供短路和過流保護(hù)，還可以幫助識(shí)別故障板卡，在系統(tǒng)完全失效或意外關(guān)閉之前撤掉故障板卡。
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集成ADC的重要性

Maxim、Analog Devices和Linear Technology?均可提供熱插拔方案，器件內(nèi)部提供數(shù)字故障和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)記錄。近期出現(xiàn)的一個(gè)新名詞是“數(shù)字熱插拔”IC，代表集成了電壓和電流監(jiān)測(cè)ADC的熱插拔方案。表1給出了不同供應(yīng)商所提供的熱插拔IC的性能比較，表中未列出MAX5967，該器件的引腳和功能完全兼容于LTC4215。
表1. 數(shù)字熱插拔控制IC對(duì)比

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ADC Resolution (bits)	2	12	10	10
Conversion Rate (Hz)	10	Not Specified	10k	10k
Automatic or Polled?	Auto	Polled	Auto	Auto
History "Depth"	1 sample	1 sample	50 samples	50 samples
INL	0.2 LSB, 0.5 LSB	Not Specified	0.5 LSB	0.5 LSB
Full-Scale Error (voltage, current)	±5.5 LSB, ±5.0 LSB	±60.0 LSB, ±100.0 LSB	±10 LSB, ±30.0 LSB	±10 LSB, ±30.0 LSB
Interface	I2C/SMBus?	I2C	I2C/SMBus	I2C/SMBus
High-Speed Voltage (min, max)	2.9V, 15V	3.15V, 13.2V	0V, 16V	0V, 16V
GATE Pullup Current (μA)	20	12	5	5
GATE Pulldown Current, Normal (mA)	1	2	500	500
Slow-Trip Circuit-Breaker Threshold (mV)	25	85	12.5, 25, 50 (and 8-bit programmable)	12.5, 25, 50 (and 8-bit programmable)
Fast-Trip Circuit-Breaker Threshold	—	115mV	125%, 150%, 175%, 200% of programmed slow trip	125%, 150%, 175%, 200% of programmed slow trip
Load UV Protection	Analog	—	2 each, 10-bit programmable	2 each, 10-bit programmable
Load OV Protection	—	—	2 each, 10-bit programmable	2 each, 10-bit programmable

熱插拔控制IC中嵌入ADC，有助于擴(kuò)展器件的監(jiān)測(cè)能力并可報(bào)告電源狀態(tài)以及引起故障的一些關(guān)鍵因素。MAX5961還可以存儲(chǔ)幾個(gè)毫秒的電壓、電流測(cè)試數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以用于后續(xù)的故障診斷和分析。

集成ADC還為OEM廠商創(chuàng)造了機(jī)會(huì)，能夠使其產(chǎn)品更具競(jìng)爭(zhēng)力。利用先進(jìn)的電路板管理技術(shù)提供系統(tǒng)增值功能：

• 信息采集：設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)當(dāng)前收集的系統(tǒng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)構(gòu)建下一代系統(tǒng)，優(yōu)化效率。
• 連續(xù)監(jiān)控：對(duì)于這些需要始終保持運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的系統(tǒng)，正常工作期間可能需要連續(xù)監(jiān)測(cè)其供電電源的溫度，以記錄一些對(duì)應(yīng)于功率等級(jí)的“關(guān)鍵統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)”。這些數(shù)據(jù)有助于在今后對(duì)一些故障狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)。
• 功率預(yù)算：通過讀取以往或當(dāng)前故障條件的數(shù)據(jù)，可以判斷是否出現(xiàn)嵌入式板卡的功耗超出了其總功率預(yù)算的份額。這種監(jiān)測(cè)對(duì)于早期識(shí)別不正常的工作條件、減緩甚至消除對(duì)系統(tǒng)其余電路的影響很有幫助。

通過I2C連接系統(tǒng)微處理器

板卡微處理器可以通過熱插拔控制器的I2C接口采集一些關(guān)鍵的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。通過該接口可以配置熱插拔控制器的工作模式，工作在閉鎖或連續(xù)重試狀態(tài)；系統(tǒng)管理固件可以據(jù)此識(shí)別板卡的問題。該接口也是主板向維護(hù)人員發(fā)出報(bào)警信號(hào)的渠道，其作用與汽車儀表盤上的引擎故障指示燈類似。
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結(jié)論

熱插拔控制器對(duì)于那些始終保持運(yùn)行狀態(tài)的系統(tǒng)是不可或缺的保護(hù)電路。發(fā)生帶電插拔事件后，跟蹤浪涌電流引起的PCB故障也是非常棘手的設(shè)計(jì)任務(wù)。利用那些拼湊起來的熱插拔方案解決故障問題或者只是很好地解決了其中部分問題，對(duì)于系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性而言存在一定隱患，也是工程師無法預(yù)測(cè)的。

目前，高度集成的熱插拔方案能夠確保系統(tǒng)在帶電插拔的操作中不會(huì)引起數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤或?qū)е孪到y(tǒng)已插入板卡的復(fù)位。這種方案對(duì)于保持系統(tǒng)的長(zhǎng)期可靠性很有幫助，能夠滿足、甚至優(yōu)于“5個(gè)9”的設(shè)計(jì)目標(biāo)。