避免拼湊并實(shí)施更有效的解決方案

本應(yīng)用筆記討論了熱插拔在高可用性系統(tǒng)中的重要作用和最佳電路。它使用電信系統(tǒng)作為插入中板或背板的基于嵌入式微處理器的卡集合的示例。這些系統(tǒng)被歸類為“高可用性”系統(tǒng)，不應(yīng)因服務(wù)或維修而斷電。本文定義了術(shù)語“5-NINEs 可用性”，這意味著幾乎零停機(jī)時間。只有在不關(guān)閉整個系統(tǒng)電源的情況下通過熱插拔卡來維修卡時，才能實(shí)現(xiàn)這種可用性級別。本文隨后介紹了熱插拔電路。它展示了一些拼湊的熱插拔方法，并解釋了這些方法的缺陷。本文最后討論了更新、集成度更高的熱插拔控制器，這些控制器克服了先前設(shè)計(jì)中的問題。

介紹

與許多其他復(fù)雜的多卡系統(tǒng)一樣，電信系統(tǒng)是插入中板或背板的基于嵌入式微處理器的卡的集合。它們被歸類為“高可用性”系統(tǒng)，包括專用交換機(jī) （PBX）、蜂窩基站收發(fā)器 （BTS）、刀片中心電信 （BCT） 服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信和存儲系統(tǒng)。一旦啟動并運(yùn)行，這些系統(tǒng)就不應(yīng)該因維修或維修而斷電。

術(shù)語“5-NINEs 可用性”通常用于描述這些系統(tǒng)。這意味著 99.999% 的可用性，這意味著停機(jī)時間幾乎為零。只有在不關(guān)閉整個系統(tǒng)電源的情況下通過熱插拔卡來維修卡時，才能實(shí)現(xiàn)這種可用性級別。然后，必須能夠在不干擾系統(tǒng)其余部分的情況下即時修復(fù)、升級、配置甚至有時擴(kuò)展系統(tǒng)。

本文討論了板級設(shè)計(jì)工程師目前在設(shè)計(jì)熱插拔電路時使用的一些拼湊解決方案。下面將討論一些新一代創(chuàng)新的熱插拔解決方案。術(shù)語“熱插拔”的定義將強(qiáng)調(diào)電壓瞬變。將展示規(guī)避做得不好（拼湊）熱插拔的不利影響的解決方案。討論以熱插拔技術(shù)的最新創(chuàng)新結(jié)束。

熱插拔事件：了解瞬態(tài)

圖1.基于多PCB機(jī)箱的系統(tǒng)。

熱插拔事件：插入或取出卡時的峰值浪涌電流

熱插拔是指在不先斷開系統(tǒng)電源的情況下，將卡、電纜和其他物品插入或取出完全可操作的帶電系統(tǒng)。正確進(jìn)行卡熱插拔不應(yīng)引起電源或系統(tǒng)輸入和輸出信號的任何干擾。

當(dāng)基于機(jī)箱的完全運(yùn)行系統(tǒng)的所有插件卡都在機(jī)箱中時（圖1），這些卡全部通電。這意味著每張卡的所有大電容和旁路電容都已完全充電。電源輸入端的大容量電容器允許電源設(shè)計(jì)人員完成兩項(xiàng)重要任務(wù)：為卡上的下游穩(wěn)壓器提供良好的電能質(zhì)量，并補(bǔ)充較小的分布式旁路電容器，以滿足負(fù)載的瞬態(tài)需求。

當(dāng)另一張從架子上不充電的卡插入帶電背板時，可能會發(fā)生幾件事。請參閱圖 2。新插入和供電的PCB的旁路和濾波器存儲大容量電容器就像短路一樣快速開始充電。其中一些電荷來自帶電系統(tǒng)，電容器C1，C2和C3。（因此，其他卡中已經(jīng)充電的電容器將全部放電）。先前插入的卡上的電容器的這種不受控制的充電（或放電）會在新卡的大容量電容器中產(chǎn)生較大的浪涌電流。根據(jù)系統(tǒng)的不同，浪涌電流可以在很短的時間內(nèi)達(dá)到數(shù)百安培的幅度。

當(dāng)電容器快速充電時，它們顯示為短路并瞬間消耗大量電流。圖3顯示了流入大容量電解電容器的浪涌電流以及電容器充電時兩端的電壓曲線。如圖所示，峰值電流達(dá)到9.44A。對系統(tǒng)產(chǎn)生大量需求，這可能導(dǎo)致機(jī)箱系統(tǒng)的電容器放電。這會導(dǎo)致電壓下降，可能導(dǎo)致相鄰卡復(fù)位，從而可能導(dǎo)致傳輸數(shù)據(jù)錯誤或其他系統(tǒng)故障。

瞬時浪涌電流的大小是負(fù)載（早期功率）電容的函數(shù)。負(fù)載的電容越大（ESL和ESR越低），峰值浪涌電流就越高。

圖2.電路板插入順序和上電時的浪涌電流。

圖3.該圖顯示了進(jìn)入大容量電解電容器的浪涌電流以及電容器充電時兩端的電壓。

電壓瞬變對系統(tǒng)的影響可能是災(zāi)難性的

與任何系統(tǒng)一樣，這些基于機(jī)箱的系統(tǒng)中的電源是電流限制的。熱插拔事件期間發(fā)生的電壓瞬變會對已插入機(jī)箱的卡產(chǎn)生很大影響。浪涌現(xiàn)象可能導(dǎo)致機(jī)箱電源軌嚴(yán)重崩潰、背板電源總線電壓下降和/或電源故障，從而無意中導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)位。這種不受限制的電流浪涌還可能對組件造成物理損壞：卡的旁路和大容量電容器、印刷電路板 （PCB） 走線、背板連接器引腳和/或保險(xiǎn)絲熔斷（這可能是一個主要麻煩）。

通常，背板的電源總線會下降，這會導(dǎo)致電源擾動或插入系統(tǒng)的卡出現(xiàn)電源毛刺。相鄰的卡也可能遇到不必要的重置，或者卡之間背板上的通信信號可能會受到影響（例如，引起位錯誤）。背板通常使用差分總線（LVDS/LVPECL/光纖通道/其他），必須滿足某些信令規(guī)范以確保適當(dāng)?shù)男帕钚阅堋岵灏问录赩上引入電壓變化，從而影響其共模噪聲規(guī)格抄送和接地層。考慮到熱插拔事件的潛在有害影響，實(shí)現(xiàn)良好的熱插拔電路必須確保熱插拔不會在背板上產(chǎn)生足夠大的噪聲，從而導(dǎo)致這些總線上承載的數(shù)據(jù)出錯。

設(shè)計(jì)人員最常忽略的另一個問題是系統(tǒng)的長期可靠性。設(shè)計(jì)不良的熱插拔保護(hù)電路會導(dǎo)致組件因每次感應(yīng)熱插拔事件而緩慢承受壓力。從本質(zhì)上講，每次發(fā)生熱插拔事件時，其效果類似于試圖將鍵合線從封裝中的硅中“拉出”（以分離）。隨著時間的推移，這種反復(fù)的壓力會導(dǎo)致災(zāi)難性的故障。這種現(xiàn)象的最佳補(bǔ)救措施是控制熱插拔卡上的峰值電流和浪涌電流。

拼湊浪涌控制實(shí)現(xiàn)

有幾種已知的方法可以實(shí)現(xiàn)浪涌峰值電流的控制解決方案。一些方法基于合理的工程分析，而另一些方法則是一種設(shè)計(jì)不佳的方法，可以減輕系統(tǒng)中熱插拔的影響。后面這些方法在下面描述為拼湊實(shí)現(xiàn)。

預(yù)充電器引腳或“早期電源”（即電阻方法）

在應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)浪涌電流控制的一種方法是使用“交錯引腳”方法，也稱為“早期功率引腳”、“預(yù)充電電壓”或“預(yù)引線”引腳。交錯針腳實(shí)現(xiàn)提供了一種物理方法，可確保新卡正確就位并及時進(jìn)行連接。這種浪涌電流控制方案還可以與電阻器結(jié)合使用，以限制熱插拔事件期間的電流。

預(yù)充電引腳解決方案是最基本的熱插拔解決方案之一，它實(shí)現(xiàn)了具有長短電源引腳組合的連接器。請參閱圖 4。長電源引腳首先配接，然后通過串聯(lián)電阻器R 開始為新卡的濾波器和大容量電容器充電預(yù)充電.R預(yù)充電限制消耗的電流。在卡插過程接近尾聲時，短功率引腳配接，繞過 R預(yù)充電連接到較長的引腳，并創(chuàng)建用于為卡供電的低阻抗路徑。信號引腳通常最后配接以完成就位過程。

圖4.智能連接器支持熱插拔功能。

在這種情況下，保護(hù)裝置是一個電阻器RPRECHARGE，它通過將浪涌電流限制在不損壞引腳或干擾相鄰卡上的電壓軌的水平來保護(hù)卡。一些工程師在此基本實(shí)現(xiàn)中增加了一個電感和/或二極管接地。

本文將預(yù)充電引腳方法視為一種“拼湊”的熱插拔解決方案，因?yàn)榇笕萘枯斎霝V波電容的充電速率仍然無法控制。此方案有兩個主要問題：短針腳相對于長針腳長度的變化，以及服務(wù)技術(shù)人員將卡插入系統(tǒng)的快與慢。歸根結(jié)底，這是一個機(jī)械解決方案;由于連接器的機(jī)械公差，相同標(biāo)稱長度的引腳不一定在同一時間接觸。這就是為什么用戶可以體驗(yàn)上述變化的原因。而且，如果短電源引腳長一點(diǎn)，并且PCB插入機(jī)箱的時間非常快，則R預(yù)充電可以在大容量輸入電容充滿電之前短路。這種情況是相當(dāng)合理的，因此部分否定了控制浪涌電流的嘗試。

另一個重要步驟是調(diào)整RPRECHARGE的大小。這不是一件容易的事，如果電阻器指定不正確，可能會影響系統(tǒng)。該預(yù)充電電阻的值必須調(diào)整為均衡預(yù)充電和主浪涌電流。

最后，交錯引腳實(shí)現(xiàn)需要一個專門的連接器，這在歷史上成本過高。

從上述論點(diǎn)可以看出，預(yù)充電引腳方案的缺點(diǎn)非常重要。它非常有限，難以以可靠的精度水平實(shí)現(xiàn)。它不會在啟動時調(diào)節(jié)電流，也不會提供輸出過壓 （OV） 和欠壓 （UV） 監(jiān)控。

熱敏電阻（電流特性）方法

另一種熱插拔實(shí)現(xiàn)方案是熱敏電阻熱插拔方法。熱敏電阻是一種電子元件，其電阻隨其溫度的變化而顯著變化（即電阻隨熱的變化而變化）。它通常用于需要溫度相關(guān)調(diào)節(jié)的電路。負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻的電流-時間特性取決于其熱容、耗散常數(shù)和使用電路。該電流-時間特性可用于區(qū)分短時間的高壓尖峰和初始電流浪涌。圖5所示為基于熱敏電阻的熱插拔限流電路，內(nèi)置外部MOSFET1。

圖5.基于熱敏電阻的熱插拔電路實(shí)現(xiàn)。

采用基于熱敏電阻的方法時，必須適當(dāng)考慮施加到熱敏電阻的峰值瞬時功率。設(shè)計(jì)人員必須考慮電路板的環(huán)境溫度變化（銅面積和氣流），以及如果超過其電壓和/或電流額定值，熱敏電阻器件本身可能會損壞的事實(shí)。

這種熱敏電阻方法有幾個令人不安的問題。例如，在電信行業(yè)，在系統(tǒng)首次發(fā)布給電信運(yùn)營商后，預(yù)計(jì)不會重新設(shè)計(jì)卡。因此，熱敏電阻會導(dǎo)致長期可靠性問題。還必須考慮負(fù)溫度系數(shù)（NTC）的反應(yīng)時間。如果反復(fù)將卡插入機(jī)箱并從機(jī)箱中取出，則會出現(xiàn)另一個密切相關(guān)的問題。熱敏電阻很可能不會冷卻到足以在下一次插入事件時有效限制浪涌電流。最后，熱敏電阻的特性很可能會隨著時間的推移而改變，從而使系統(tǒng)變得脆弱。

總之，雖然這種方法可以在溫度相關(guān)的應(yīng)用（例如LCD偏置電源）中做得很好，并且可以限制峰值浪涌電流，但基于熱敏電阻的熱插拔電路并不能提供可靠、長期熱插拔實(shí)現(xiàn)所需的擴(kuò)展優(yōu)勢。

分立式熱插拔電路

實(shí)現(xiàn)浪涌電流控制的另一種方法是使用多個分立元件。（誠然，許多設(shè)計(jì)師可能不認(rèn)為這是一個拼湊的解決方案。通常，故障保護(hù)、斷路器和電流控制功能都在具有獨(dú)立功率MOSFET、功率檢測電阻和其他分立偏置元件的獨(dú)立電路中完成。這些分立式熱插拔電路不僅復(fù)雜且難以調(diào)試（僅此一項(xiàng)就增加了設(shè)計(jì)和驗(yàn)證時間），而且還可能具有更高的成本并需要更多的PCB空間。

分立式熱插拔電路的重要問題是無源分立元件的寄生元件的影響。對于設(shè)計(jì)師來說，這是一個至關(guān)重要的考慮因素。這些電路使用電阻和電容來控制上升和下降時間、電壓和電流以及其他檢測條件。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者的任務(wù)是特別注意寄生元件如何影響電路的工作條件。

在評估了上述三種拼湊在一起的熱插拔實(shí)現(xiàn)方法之后，仍然有更好的方法。事實(shí)上，確保設(shè)計(jì)長期保護(hù)和可靠性的最佳方法是使用嵌入到單個單片芯片中的完整集成熱插拔解決方案。下一節(jié)將討論一些業(yè)界最具創(chuàng)新性的熱插拔方案，包括MAX5961熱插拔控制器。

真正的浪涌峰值電流控制

更高的集成度

工程師可以使用一種電路來限制插入卡的浪涌電流，防止過流情況和負(fù)載瞬變，并保持減少故障點(diǎn)的數(shù)量，從而對熱插拔嵌入式卡的長期可靠性產(chǎn)生積極影響。市場上有集成度更高的熱插拔控制器IC;某些控制器 IC 不再需要檢測電阻。許多其他IC已經(jīng)使實(shí)現(xiàn)熱插拔電路成為一項(xiàng)簡單且非常有效的任務(wù)。例如，可以找到單個部件支持的以下功能：紫外線和OV保護(hù);過載期間使用恒流源進(jìn)行有源電流限制;故障負(fù)載在電源壓降前斷開的電子斷路器;反向電流保護(hù)，帶有額外的驅(qū)動FET，以提供“理想二極管”;多電壓排序;數(shù)字電壓和電流監(jiān)控;并在負(fù)載故障后自動重試。

一些模擬半導(dǎo)體供應(yīng)商推出了各種各樣的熱插拔解決方案，以滿足大量的系統(tǒng)要求。最新一代熱插拔IC提供多種模擬和數(shù)字功能，例如能夠在卡就位并上電后長時間持續(xù)監(jiān)控電源電流。此監(jiān)控功能可確保卡在正常運(yùn)行期間持續(xù)受到短路和過流情況的保護(hù)。持續(xù)監(jiān)控還允許在故障卡完全失效并導(dǎo)致停機(jī)之前快速識別并從系統(tǒng)中移除。

集成式ADC的重要性

模擬、ADI和凌力爾特具有熱插拔解決方案，具有數(shù)字故障和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（或飛行）記錄功能。最近的一個新術(shù)語“數(shù)字熱插拔”IC是指集成高性能ADC進(jìn)行電壓和電流監(jiān)控的熱插拔解決方案。表1比較了這些供應(yīng)商提供的熱插拔IC的一些關(guān)鍵規(guī)格。MAX5967不在表中，但與LTC4215引腳和功能兼容。?

這些器件中的嵌入式ADC使熱插拔控制器IC具有擴(kuò)展的能力，可以在故障發(fā)生時監(jiān)控和報(bào)告電源狀態(tài)和其他生命體征。MAX5961還可以存儲幾毫秒的過去電壓和電流測量值。此數(shù)據(jù)可用于簡化以后的系統(tǒng)調(diào)試和故障分析。

集成的ADC也為OEM廠商創(chuàng)造了提高產(chǎn)品創(chuàng)意的機(jī)會。人們可以觀察到高級董事會管理的增值功能有所增加：

信息收集：設(shè)計(jì)人員可以使用今天收集的系統(tǒng)重要數(shù)據(jù)來構(gòu)建效率優(yōu)化的下一代系統(tǒng)。

持續(xù)監(jiān)控：在這些高可用性系統(tǒng)的正常運(yùn)行期間，可能希望通過持續(xù)監(jiān)控電源溫度水平來記錄卡功率水平的某些“重要統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)”。這可以在以后用于“預(yù)測某些特定故障”。

功率預(yù)算：通過讀取過去和當(dāng)前的故障條件，可以確保沒有嵌入式卡使用超過其總功率預(yù)算的份額。這種監(jiān)控將有助于及早識別異常操作條件，并有助于減輕或消除對系統(tǒng)其余部分的任何影響。

I2C鏈路連接到系統(tǒng)微處理器

控制器的I2C接口由卡的微處理器用于收集上述重要統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。通過此接口，控制器配置為連續(xù)運(yùn)行、閉鎖或重新啟動;這是系統(tǒng)管理固件在早期識別問題卡的方式。此接口實(shí)質(zhì)上是機(jī)箱對服務(wù)技術(shù)人員的警告顯示。它的功能很像汽車儀表板上看到的快速服務(wù)引擎燈。

結(jié)論

高可用性系統(tǒng)中的熱插拔PC板是不可避免的。盡管如此，追蹤插入事件后由浪涌電流引起的 PC 板故障是一項(xiàng)非常具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。了解故障，或者最好是防止故障，對于任何拼湊的熱插拔解決方案來說都是復(fù)雜的，這些解決方案不可避免地會對系統(tǒng)的長期性能產(chǎn)生比工程師想象的更大的負(fù)面影響。

當(dāng)今高度集成的熱插拔解決方案將確保系統(tǒng)中的熱插拔事件不會導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸錯誤或重置系統(tǒng)中已有的卡。這些解決方案將有助于維持系統(tǒng)的長期可靠性。最后，目標(biāo)就是達(dá)到并超越 5-NINE。

審核編輯：郭婷