工程技術(shù)基礎(chǔ)-熱插拔知識詳解及案例分析教材

1、目錄第一章 熱插拔概述 21.1 歷史 21.2 熱插拔常見問題 2第二章熱插拔導(dǎo)致的閂鎖效應(yīng)及其防治 42.1 閂鎖效應(yīng)及其機(jī)理 42.2閂鎖的產(chǎn)生條件 62.3 閂鎖的常見誘發(fā)原因 62.4熱插拔誘發(fā)閂鎖的原因分析 62.5閂鎖的預(yù)防措施 7第三章熱插拔導(dǎo)致的靜電問題及其防治 83.1 靜電產(chǎn)生 83.2 靜電放電失效機(jī)理 9第四章 熱插拔導(dǎo)致的浪涌問題及其防治 114.1 浪涌說明 114.1.1 概念 114.1.2 產(chǎn)生原因 114.1.3 影響 124.2 浪涌防治 134.2.1 交錯引腳法 134.2.2 熱敏電阻法 144.2.3 單芯片熱插拔控制器 15第五章 總線熱插拔

2、175.1 I2C 總線熱插拔 175.2 I2C 總線熱插拔案例 185.3 74LVT16245 在總線熱插拔中應(yīng)用 195.5 擴(kuò)展知識 CompactPCI 總線熱插拔 21第六章 熱插拔最新解決方案-數(shù)字熱插拔芯片 246.1 熱插拔芯片的理念 246.2 典型應(yīng)用框圖 24第一章 熱插拔概述1.1 歷史熱插拔( hot-plugging 或 Hot Swap)即帶電插拔 ，是指將設(shè)備板卡或模塊 等帶電接入或移出正在工作的系統(tǒng)，而不影響系統(tǒng)工作的技術(shù)。一方面，在軍事、電信、金融等領(lǐng)域，設(shè)備投入運(yùn)行后，必須夜以繼日的運(yùn) 轉(zhuǎn)，對這些設(shè)備的部件進(jìn)行拆裝維修、維護(hù)、擴(kuò)展時，系統(tǒng)不能停機(jī)，停機(jī)

3、則意 味則重大的經(jīng)濟(jì)損失。 這就要求設(shè)備部件能夠在系統(tǒng)帶電運(yùn)行的情況下進(jìn)行接入 或者移出。另一方面，對連接到總線上的設(shè)備，對單個設(shè)備進(jìn)行插入或者拔出的時候， 不能對總線產(chǎn)生較大干擾， 否則會在總線上產(chǎn)生較大的噪聲， 引起總線上其他設(shè) 備的停機(jī)或者誤碼產(chǎn)生，影響整條總線業(yè)務(wù)。熱插拔技術(shù)正是在這種需求下應(yīng)運(yùn)而生。民用熱插拔技術(shù)開始于 PC 機(jī)的開發(fā)中，從 586 時代開始，系統(tǒng)總線都增加了外部總線的擴(kuò)展，此時的系統(tǒng)總 線已經(jīng)初步滿足的熱插拔的要求1997 年開始，新的 BIOS 中增加了即插即用功能的支持，雖然這種即 插即用的支持并不代表完全的熱插拔支持，僅支持熱添加和熱替換。至今 PC 機(jī)的多數(shù)

4、外設(shè)均以推出了支持熱插拔的產(chǎn)品。1.2 熱插拔常見問題在以前，我們使用電腦或者其他電子設(shè)備時， 總會受到警告： 不能帶電插拔 ， 如果我們帶電插拔，輕則造成系統(tǒng)死機(jī)或者重啟，重則造成接口電路硬件損壞， 造成巨大損失。這是什么原因呢， 對不支持熱插拔的系統(tǒng)， 帶電插拔為什么會造 成如此嚴(yán)重的后果？熱插拔引發(fā)閂鎖效應(yīng)：熱插拔前設(shè)備之間可能存在較高電位差，如果不 采取相應(yīng)措施這種電位差將對設(shè)備上的 IC 芯片構(gòu)成嚴(yán)重危害，尤其是CMOS 器件，有可能引發(fā)閂鎖效應(yīng)。熱插拔誘發(fā)靜電問題：雖然冷插拔過程中也有靜電問題，但是由于熱插 拔時一部分電路是處于上電工作狀態(tài)，因此熱插拔時的靜電干擾會引發(fā) 諸如“閂鎖

5、效應(yīng)”之類惡性故障，除此之外，熱插拔對于穩(wěn)定工作的背 板設(shè)備的靜電干擾使得本來在設(shè)備內(nèi)部的背板連接器變成了被靜電直 接擊中的外部接口。熱插拔導(dǎo)致浪涌問題：當(dāng)單板插入機(jī)框時，機(jī)框中其他設(shè)備已處于穩(wěn)定 工作狀態(tài)所，所有儲能電容均被充滿電，而單板上的電容沒有電荷，當(dāng) 設(shè)備與主板接觸時設(shè)備上的電容充電將在短時間內(nèi)從電源系統(tǒng)吸入大 量電能，在供電線路上形成一股比正常工作電流高出數(shù)倍的浪涌電流。 浪涌電流會使電源出現(xiàn)瞬時跌落導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)位、引發(fā)閂鎖效應(yīng)、導(dǎo)致連 接器電路板金屬連線和電路元件燒壞。熱插拔對總線造成干擾：總線上插入板卡時，由于新插入板卡電容的充 電以及上電過程中一些低阻抗通道的存在，會產(chǎn)生極大的

6、浪涌電流，拉 低總線電平，對總線上其他設(shè)備產(chǎn)生干擾，影響總線上其他設(shè)備的正常 運(yùn)行。同時插拔時也對總線接口帶來靜電問題。第二章 熱插拔導(dǎo)致的閂鎖效應(yīng)及其防治2.1 閂鎖效應(yīng)及其機(jī)理定義：閂鎖( Latch up) 是指 CMOS 器件所固有的寄生雙極晶體管被 觸發(fā)導(dǎo)通，在電源和地之間形成一個低阻通路。故障現(xiàn)象 ：CMOS 芯片的電源和地之間大電流通過，導(dǎo)致芯片自身燒毀 失效，嚴(yán)重時會波及周圍的電路和易燃器件(如：鉭電容) 。 內(nèi)部機(jī)理： 見圖 2-1圖 2-1 閂鎖內(nèi)部機(jī)理示意圖如圖 2-1所示， CMOS 發(fā)生閂鎖效應(yīng)時，其中的 NMOS 的有源區(qū)、 P襯 底、 N 阱、 PMOS 的有源區(qū)

7、構(gòu)成一個 n-p-n-p 的結(jié)構(gòu)，即寄生晶體管，本質(zhì) 是寄生的兩個雙極晶體管的連接。 P襯是 NPN 的基極，也是 PNP的集電極， 也就是 NPN 的基極和 PNP的集電極是連著的； N 阱既是 PNP的基極，也是 NPN 的集電極。再因為 P襯底和 N 阱帶有一定的電阻，分別用 R1 和 R2 來 表示。當(dāng) N 阱或者襯底上的電流足夠大， 使得 R1 或 R2 上的壓降為 0.7V ，就會 是 Q1 或者 Q2 開啟。例如 Q1 開啟，它會提供足夠大的電流給 R2 ，使得 R2 上的壓降也達(dá)到 0.7V，這樣 R2 也會開啟， 同時，又反饋電流提供給 Q1，形 成惡性循環(huán)，最后導(dǎo)致大部分的

8、電流從 VDD 直接通過寄生晶體管到 GND ， 而不是通過 MOSFET 的溝道，這樣?xùn)艍壕筒荒芸刂齐娏?i。閂鎖機(jī)理的集總器件表述：元器件中的寄生晶體管連接關(guān)系可以用集總元件來表示， 如圖 2-2 所示， 其結(jié)構(gòu)實際上是一個雙端 PNPN 結(jié)結(jié)構(gòu)，如果再加上控制柵極 ，就組成門 極觸發(fā)的閘流管。該結(jié)構(gòu)具有如圖 3 所示的負(fù)阻特性，該現(xiàn)象就稱為閂鎖效 應(yīng)(閂鎖本是閘流管的專有名詞) 。即雙端 PNPN 結(jié)在正向偏置條件下，器 件開始處于正向阻斷狀態(tài)，當(dāng)電壓達(dá)到轉(zhuǎn)折電壓 VBF 時，器件會經(jīng)過負(fù)阻區(qū) 由阻斷狀態(tài)進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)這種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，可以由電壓觸發(fā) (Ig =0)，也可 以由門極電流觸發(fā)

9、(Ig O)。門極觸發(fā)大大降低了正向轉(zhuǎn)折電壓。圖 2 -2PNPN 雙端器件 從上圖可以推導(dǎo)出如下的關(guān)系 其中， 和分別是 PNP和 NPN 共基極增益， ICO 是集電極飽和電流。對上式進(jìn)行調(diào)整，得到如下關(guān)系：其中在低阻抗時， I CO / It 可以忽略，另，在一般情況下， I t 0，可以發(fā)或者其中代表 Rw 和Rs 在阻止閂鎖上起的作用， =1 表示所有的發(fā)射極電流都 繞過電阻，也就是沒有閂鎖效應(yīng)發(fā)生。在有載流子產(chǎn)生的情況下，在（2）式右邊添加上 I GENERATION / I t 。兩個寄生晶體管工作時，形成正反饋電路，加深可控硅導(dǎo)通，造成的結(jié) 果在器件級的描述一樣，一股大的電流將

10、由電源流向接地端，導(dǎo)致一般正常 電路工作中斷，甚至?xí)捎诟唠娏魃岬膯栴}而燒毀芯片2.2閂鎖的產(chǎn)生條件存在正反饋：寄生雙極極晶體管回路電流增益必須大于 1。12.1 外觸發(fā)條件：一個維持足夠長時間的外部電流，使雙極型晶體管導(dǎo)通起 來。電流供應(yīng)能力：外電路能持續(xù)提供維持閂鎖所必須的電流。2.3閂鎖的常見誘發(fā)原因輸入/輸出腳電壓：高電平比芯片電源還高，低電平比芯片地還低，這是 最常見的誘發(fā)原因。電源端異常的浪涌電壓或噪聲干擾， 地線引入異常干擾電壓。2.4熱插拔誘發(fā)閂鎖的原因分析通訊管腳先于電源管腳接通導(dǎo)致 CMOS 器件的輸入 /輸出腳電壓高于電源 電壓或低于地電壓。 板卡插入瞬間由于電容充電電

11、流，導(dǎo)致背板電源異常波動，引發(fā)器件閂 鎖。單板插入時板上靜電放電導(dǎo)致的閂鎖 板卡拔出瞬間由于電感的感生電壓導(dǎo)致背板 CMOS 器件閂鎖。2.5閂鎖的預(yù)防措施電路接口部分采用防護(hù)措施：防止觸發(fā)信號的引入：COMS 器件輸入 /輸出端加限流電阻 小功耗器件電源線上串限流電阻 防止電源 /地線電壓波動 避免大電容負(fù)載：第三章 熱插拔導(dǎo)致的靜電問題及其防治3.1 靜電產(chǎn)生物質(zhì)都是由分子構(gòu)成， 分子是由原子構(gòu)成， 原子由帶負(fù)電荷的電子和帶 正電荷的質(zhì)子構(gòu)成。在正常狀況下，一個原子的質(zhì)子數(shù)與電子數(shù)量相同， 正負(fù)平衡，所以對外表現(xiàn)出不帶電的現(xiàn)象。但是電子環(huán)繞于原子核周圍， 一經(jīng)外力即脫離軌道，離開原來的原子

12、 A 而侵入其他的原子 B， A 原子因 減少電子數(shù)而帶有正電現(xiàn)象，稱為陽離子 ;B 原子因增加電子數(shù)而呈帶負(fù)電 現(xiàn)象，稱為陰離子。造成不平衡電子分布的原因即是電子受外力而脫離軌 道，這個外力包含各種能量 （如動能、位能、 熱能、 化學(xué)能等 ）在日常生活中， 任何兩個不同材質(zhì)的物體接觸后再分離，即可產(chǎn)生靜電。當(dāng)兩個不同的物 體相互接觸時就會使得一個物體失去一些電荷如電子轉(zhuǎn)移到另一個物體使 其帶正電，而另一個物體得到一些剩余電子的物體而帶負(fù)電。 若在分離的 過程中電荷難以中和，電荷就會積累使物體帶上靜電。所以物體與其它物 體接觸后分離就會帶上靜電。通常在從一個物體上剝離一張塑料薄膜時就 是一種典

13、型的 “接觸分離 ”起電，在日常生活中脫衣服產(chǎn)生的靜電也是 “接觸 分離 ”起電。固體、液體甚至氣體都會因接觸分離而帶上靜電。這是因為氣 體也是由分子、原子組成，當(dāng)空氣流動時分子、原子也會發(fā)生 “接觸分離 而起電。我們都知道摩擦起電而很少聽說接觸起電。實質(zhì)上摩擦起電是一 種接觸又分離的造成正負(fù)電荷不平衡的過程。摩擦是一個不斷接觸與分離 的過程。因此摩擦起電實質(zhì)上是接觸分離起電。在日常生活，各類物體都 可能由于移動或摩擦而產(chǎn)生靜電。另一種常見的起電是感應(yīng)起電。當(dāng)帶電 物體接近不帶電物體時會在不帶電的導(dǎo)體的兩端分別感應(yīng)出負(fù)電和正電。兩個具有不同靜電電位的物體， 由于直接接觸或靜電場感應(yīng)引起兩個物

14、體間的靜電電荷轉(zhuǎn)移稱為靜電放電。如果帶電體是通過電子元器件來放電， 就會給元器件帶來損傷，導(dǎo)致器件失效。如上所述我們可以明確兩點(diǎn)：1) 靜電無處不在，只要是絕緣體機(jī)就有可能帶靜電(比如我們常用的透明自封 袋通常帶有 5002000V靜電。2) 靜電會帶來設(shè)備故障，器件損傷，必須要重視。3.2 靜電放電失效機(jī)理ESD 的典型失效包括：熱二次擊穿 金屬化層的熔融體擊穿 介質(zhì)擊穿 氣體的電弧放電 表面擊穿熱插拔過程中的靜電問題 正如靜電定義中描述的兩個不同材質(zhì)的物體只要有接觸，就有靜電產(chǎn)生 的可能。熱插拔中至少首先存在三個物體，人體、熱插拔單板、機(jī)箱背板，因此 在熱插拔中靜電問題很容易出現(xiàn)。下面舉兩

15、個最常見的例子1) 人體本身帶有靜電，而機(jī)箱已經(jīng)接地，熱插拔瞬間人體靜電電荷將 經(jīng)熱插拔單板對機(jī)箱背部放電。2) 機(jī)箱背板帶有靜電電荷，人體也帶有靜電電荷，熱插拔瞬間人體靜 電電荷與機(jī)箱靜電電荷在熱插拔系統(tǒng)中發(fā)生電荷重新分布的放電 過程。通過這這些例子，我們分析發(fā)現(xiàn)，兩個問題。第一 由于熱插拔功能， 原來不太需要關(guān)注靜電問題的機(jī)箱背板接口 (內(nèi)部接 口)，成為必須討論靜電問題的接口。也就是說，背板接口的設(shè)計中防靜電設(shè)計 是需要的，而背板通常存在著接口管腳數(shù)量多， 功能復(fù)雜， 器件防靜電能力低的 問題。因此在背板接口部分增加防靜電設(shè)計將明顯加大單板設(shè)計難度和單板成 本。第二 如果人體和機(jī)箱已及熱

16、插拔單板能夠良好接地， 熱插拔中靜電問題完成 可以避免。 這個假設(shè)非常有意義， 因為它成功的避開了第一條提到的單板設(shè)計難 度和單板成本增加， 只需要給機(jī)箱加上一個防靜電手鏈， 然后在說明書中明確要 求熱插拔操作時，操作員必須帶防靜電手鏈即可。但這只是個假設(shè)， 如果客戶熱 插拔時沒帶防靜電手鏈， 并引發(fā)單板的靜電損傷， 我們能如何哪？只能說服教育 +免費(fèi)維修。因此如果希望從通過給接地解決熱插拔中的靜電問題，我們還需要 有其他手段。這里總結(jié)一下針對熱插拔引發(fā)的靜電問題的對策1) 背板接口要做放電的設(shè)計， 信號接口、 電源接口添加防靜電器件 (如 TVS 管)是備選方案。2) 機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計和單板設(shè)計

17、上添加預(yù)接地設(shè)計，使得熱插拔發(fā)生前單 板已經(jīng)與機(jī)箱接地是非常必要的。第四章 熱插拔導(dǎo)致的浪涌問題及其防治4.1 浪涌說明4.1.1 概念浪涌( Electrical Surge)顧名思義就是瞬間出現(xiàn)超出穩(wěn)定值的峰值，它包 括浪涌電壓和浪涌電流。浪涌電壓是指超出正常工作電壓的瞬間過電壓； 浪涌電流是指電源接通瞬間 或是在電路出現(xiàn)異常情況下產(chǎn)生的遠(yuǎn)大于穩(wěn)態(tài)電流的峰值電流或過載電流。本質(zhì)上講，浪涌是發(fā)生在僅僅幾百萬分之一秒時間內(nèi)的一種劇烈脈沖。熱插拔(Hot Swap)是指在系統(tǒng)不斷電的情況下，可以拔出或插入熱插拔工作 模塊，而不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。 熱插拔技術(shù)可以提供有計劃地訪問熱插拔設(shè)備， 允許

18、在不停機(jī)或很少需要操作人員參與的情況下，實現(xiàn)故障恢復(fù)和系統(tǒng)重新配 置。4.1.2 產(chǎn)生原因如果將機(jī)架上尚未充電的一塊板卡插入帶電背板時，如圖 4-1所示，將會發(fā) 生以下情況：圖4-1 電路板插入順序和上電時的浪涌電流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。4.1.3 影響隨著電容快速充電，它們將表現(xiàn)為短路狀態(tài)，瞬間吸收較大的電流。圖

19、 4-2 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(yùn)行。圖4-2 注入電解電容的浪涌電流和電容充電時兩端的電壓熱插拔過程中產(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、背板連接器引腳或保

20、險絲被燒斷。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)位或影響背板與板卡之間的通信。 熱插拔期間由于電源電 壓和地電平的變化，會在信號總線上引入共模噪聲。考慮到這一潛在問題， 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)臒岵灏伪Ｗo(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。 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。4.2 浪涌防治4.2.1 交錯引腳法這種控制浪涌電流的方法是使用 “交錯式引腳 ”，也稱為 “早供電

21、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，通過一長、一短 兩個電源引腳組成。 熱插拔過程中，通過串聯(lián)電阻控制浪涌電流。 如圖 4-3所示。圖 43 智能連接器提供有效的熱插拔保護(hù)長電源引腳首先接觸到電源并通過一個串聯(lián)電阻RPRECHARGE 開始為新板卡 的濾波、旁路電容充電。 RPRECHARGE 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 RPRECHARGE ，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。該方案中，電阻 RPRECHARGE 是保護(hù)器件， 把浪涌電流限制在不至于燒壞引腳

22、或干擾相鄰板卡工作 的水平。但此方案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(jī)械方案， 考慮到連接器的機(jī)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， RPRECHARGE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 RPRECHARGE，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。所以，

23、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。4.2.2 熱敏電阻法另一種實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 -時間特性可以抑制短暫的高壓尖 峰以及初始浪涌電流。圖 4-4 所示為基于熱敏電阻的熱插拔限流電路，配合一個 外部 MOSFET 使用。圖 4-4 基于熱敏電阻的熱插拔電路此方案需要考慮作用在熱敏電阻上的瞬態(tài)峰值功率。 設(shè)計人員必須考慮電路

24、 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 電流或電壓，則會導(dǎo)致器件損壞。對于熱敏電阻方案需要考慮幾個因素， 例如，在電信系統(tǒng)中，一旦系統(tǒng)交付 運(yùn)營商使用，將不允許更改或重新設(shè)計板卡。 由此，熱敏電阻可能會引發(fā)長期可 靠性問題，設(shè)計人員必須考慮負(fù)溫度系數(shù) （NTC） 的反作用時間。另外一個關(guān)鍵問 題是，當(dāng)板卡反復(fù)插入或拔出背板時， 熱敏電阻可能沒有足夠的時間冷卻， 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) 會隨時間變化，這將導(dǎo)致系統(tǒng)的抗沖擊能力下降?？偠灾?，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，限

25、制浪涌電流。 但是， 熱敏電阻的熱插拔控制器不能滿足系統(tǒng)長期可靠性的 需求。4.2.3 單芯片熱插拔控制器事實上，抑制浪涌電流最好的解決方案是采用完全集成的單芯片熱插拔控制 器， 利用一個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)板卡的長期可靠性。 市場上可以找 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 以簡單、高效地實現(xiàn)熱插拔保護(hù)功能，例如，在單一芯片內(nèi)支持下列功能：欠壓 （UV）和過壓（ OV）保護(hù)；過載時利用恒流源實現(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 FET構(gòu)成“

26、理想二極管 ”提供反向電流保護(hù)； 多電壓排序；發(fā)生負(fù)載故障后自動重試。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)測電源電流。 連續(xù)監(jiān)測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。熱插拔控制器對于那些始終保持運(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，對于系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性而言存在一定隱患，也是工程師無法預(yù)測的。 目前，高度集

27、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引起數(shù) 據(jù)傳輸錯誤或?qū)е孪到y(tǒng)已插入板卡的復(fù)位。 這種方案對于保持系統(tǒng)的長期可靠性 很有幫助。第五章 總線熱插拔在實際運(yùn)用中，總線上插入板卡時， 由于新插入板卡電容的充電以及上電過 程中一些低阻抗通道的存在，會產(chǎn)生極大的浪涌電流，拉低總線電平， 對總線上 其他設(shè)備產(chǎn)生干擾， 影響總線上其他設(shè)備的正常運(yùn)行。 同時插拔時也對總線接口 帶來靜電問題。所以，對總線進(jìn)行熱插拔時， 必須采取一些措施對子卡上電進(jìn)行控制， 限制 浪涌電流， 同時也要提供一定的靜電泄放通道。 下面對幾種總線熱插拔技術(shù)進(jìn)行 討論。5.1 I2C 總線熱插拔I2C 總線是 Philip

28、s 公司推出的串行總線標(biāo)準(zhǔn)， 由數(shù)據(jù)線 SDA 和時鐘線 SCL 構(gòu)成，可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。 I2C 總線上擴(kuò)展的外圍器件及外設(shè)接口通過總線尋 址，是具備總線仲裁和高低速設(shè)備同步等功能的高性能多主機(jī)總線。 運(yùn)用舉例如 圖 5-1 所示。圖 5-1 I2C 總線運(yùn)用舉例由圖中可以看出， I2C 總線上外掛了許多設(shè)備，當(dāng)我們插入或者拔出某一個I2C 設(shè)備時，不應(yīng)該對其他設(shè)備造成影響，具體表現(xiàn)為：1、不能產(chǎn)生浪涌電流，影響總線信號。2、要有靜電防護(hù)能力，消除插拔產(chǎn)生的靜電影響。I2C 總線上設(shè)備要支持熱插拔， 最常用的方法是采用支持 I2C 熱插拔的總線 緩沖驅(qū)動器， Philips 公司的 PCA9

29、510A PCA9514A 都支持 I2C總線熱插拔，總體原理差不多，具體性能上有點(diǎn)差異， PCA9511A ，在系統(tǒng)中的運(yùn)用如圖 5-2圖 5-2 PCA9511A 運(yùn)用實例PCA9511A實現(xiàn) I2C 熱插拔的原理分析如下：如上圖所示， PCA9511A 的 2、7 引腳接從設(shè)備， 3、6引腳接主設(shè)備。當(dāng)系 統(tǒng)上電過程中， SDA 和 SCL 都保持高阻狀態(tài)，并且由于 2（ENABLE ）引腳處 于低電平狀態(tài)，所以 SDAIN 與 SDAOUT 之間是斷開的， SCLIN 和 SCLOUT 之 間也一樣是斷開的。當(dāng)上電過程完成后， ENABLE 管腳由低電平變?yōu)楦唠娖搅耍?進(jìn)入初始化狀態(tài)，

30、內(nèi)部的預(yù)充電功能開始執(zhí)行， 當(dāng)初始化進(jìn)入尾聲的時候， 停止 命令和總線空閑狀態(tài)檢測功能開始執(zhí)行， ENABLE 有效的時間足夠長后，所有 的 SDA 和 SCL 管腳都進(jìn)入了高電平狀態(tài)， 這時候如果在 SDAIN 和 SCLIN 總線 上檢測到停止命令或者檢測到空閑信號，則 SCLIN 和 SCLOUT 連接，同樣的 SDAIN 和 SDAOUT 也連接，并且 IN 信號和 OUT 信號之間通過雙向緩沖器對內(nèi) 部電容和外部電容進(jìn)行隔離。 經(jīng)過以上處理過程， 基本上消除了 I2C 熱插拔時總 線的浪涌電流。同時，PCA9511A 具有一定的靜電放電保護(hù)， 其中人體模型大于 2000V，機(jī) 器模型

31、大于 150V，充電器件模型大于 1000V。所以 PCA9511A 一定程度上解決 了熱插拔過程中的靜電泄放問題。5.2 I2C 總線熱插拔案例現(xiàn)象描述：多槽設(shè)備，子卡和背板設(shè)備 MCU 均為 LPC2103，子卡與背板設(shè)備之間通過I2C 總線通信，示意圖如下 5-3 所示。帶槽臺式設(shè)備MCU為LPC2103I2C總線圖 5-3 I2C 總線連接示意圖當(dāng)某個槽位空閑而其他槽位子卡在位工作時， 空閑槽位插入子卡， 則正常工 作的槽位將通訊失敗，經(jīng)查， 是由于插入子卡的瞬間， 由于浪涌大電流拉死了背 板 I2C 總線，導(dǎo)致 I2C 總線上其他正在運(yùn)行的設(shè)備無法正常工作。原因及解決辦法： 較早設(shè)計

32、的設(shè)備，沒有進(jìn)行 I2C 熱插拔設(shè)計，導(dǎo)致熱插拔 I2C 總線上某個設(shè)備時對其他設(shè)備產(chǎn)生干擾，影響正常工作。后續(xù)設(shè)計I2C 總線板卡，需進(jìn)行熱插拔設(shè)計。5.3 74LVT16245 在總線熱插拔中應(yīng)用圖 5-4 為通過總線連接到一起的板卡， Card1 工作時，將接口總線被驅(qū)動為 高電平（ CMOS 的上管導(dǎo)通），此時插入 Card2，由于 Card2的 Vcc 上電需要一 定的時間，導(dǎo)致使能信號和輸入端信號都為低電平，因此 Card 將驅(qū)動輸出端口 為低電平（ CMOS 的下管導(dǎo)通），從而在 Card1和 Card2 之間出現(xiàn)了一條低阻抗 的電流通路，兩個接口器件都存在被損壞的可能。圖 5-

33、4 總線連接設(shè)備上電示意圖子卡與背板之間通過總線通信的，比如 PCI 總線、 telecomBus總線、 UART 總線等，一般采用邏輯器件來現(xiàn)在熱插拔處理， 74LVT16245 就是我們最常用的 芯片。74LVT16245對總線熱插拔的解決方法是使接口器件在 Vcc 上電完成之前， 輸出端口保持高阻而不對任何輸入信號作出響應(yīng)，這種解決方法稱為上電三態(tài) (PU3S ： Power up 3 state)，上電三態(tài)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 5-5 所示。圖 5-5 上電三態(tài)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖PU3S 內(nèi)部包含一個如上圖所示的結(jié)構(gòu)， PU3S輸出低電平時，器件輸出端 呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，只有在 PU3S 輸出高電平時，

34、輸出端才能對輸入端的信號做出正確的響應(yīng)。 PU3S結(jié)構(gòu)中， R1和 R2構(gòu)成分壓電路，使 M1 管只有在 Vcc 的電平 超過閾值后才能導(dǎo)通，因此在 Vcc 上電的過程中，節(jié)點(diǎn) 2 保持為高電平，驅(qū)動 PU3S輸出低電平， Vcc上電完成后， M1 導(dǎo)通，節(jié)點(diǎn) 2變?yōu)榈碗娖剑?qū)動 PU3S 輸出高電平，器件輸出端開始正常工作。74LVT16245 是一款高性能 16 位三態(tài)緩沖總線收發(fā)器，工作電壓為 3.3V， 74LVT16245 有輸出使能管腳，能夠控制總線之間的有效隔離，還有一個方向控 制管腳，可以控制輸入和輸出的方向，具體方向控制見圖5-4。表 5-4 74LVT16245 方向控制圖

35、5.5 擴(kuò)展知識 CompactPCI 總線熱插拔PCI 和 PCI-X 總線 是多點(diǎn)并行互聯(lián)總線，多臺設(shè)備共享一條總線。CompactPCI結(jié)合 PCI 的電氣特性和 Eurocard的機(jī)械封裝特性，除了具有 PCI總 線的高性能外，還支持熱插拔功能。為了使系統(tǒng)能夠支持熱插拔， CompactPCI 協(xié)議在硬件和軟件方面都做了特殊規(guī)定。硬件方面，主要從連接器的角度進(jìn)行了設(shè)計， CompactPCI 的連接器分為長 針、中針和短針，如圖 5-9 所示。圖 5-9 CompactPCI 的連接器示意圖這樣的設(shè)計使得 CompactPCI 模塊在插入和拔出時各引腳按一定的順序與系 統(tǒng)底板進(jìn)行連接和

36、斷開。長針：電源、地引腳。用于插槽放電和 Vo 引腳預(yù)充電中針： PCI 總線信號引腳。當(dāng)模塊上電以后，這些信號應(yīng)該保持三態(tài)。為了 減小對 PCI信號的影響，在插入過程中，應(yīng)預(yù)充電到 1V 左右。短針： IDSEL 、 BD_SEL#引腳。用于模塊插入 /拔出的確認(rèn)信號，當(dāng)這個信 號有效時（低電平） ，表示整個模塊已完全插入系統(tǒng)中。軟件方面， 需要在驅(qū)動曾想級、 服務(wù)程序級以及在應(yīng)用程序級上有足夠的附 加軟件來支持。CompactPCI 熱插拔技術(shù)規(guī)范將熱插拔劃分為 3 個過程：物理連接、硬件連 接和軟件連接。物理連接過程是一個機(jī)械連接過程，插入 CompactPCI 模塊時，首先通過板 卡兩

37、側(cè)的靜電條放電，電源、地線引腳首先接通，該模塊的預(yù)充電電路對 PCI 信號線進(jìn)行預(yù)加電，使這些信號線在與系統(tǒng)連接前維持在 1.0V 左右，從而使其 與系統(tǒng)總線連接時產(chǎn)生的瞬態(tài)電流最小， 最大限度的減小對總線的瞬態(tài)干擾， 達(dá) 到保護(hù)總線信號的目的，然后是中針引腳（ pCI 信號線）與系統(tǒng)總線接通，最后 是短針引腳接通， 同時向系統(tǒng)發(fā)出一個使能信號， 系統(tǒng)由此知道有一模塊已經(jīng)插 入系統(tǒng)，即開始對它進(jìn)行初始化。 當(dāng)模塊拔出時， 上述事件的發(fā)生順序正好相反。硬件連接過程指模塊與背板 CompactPCI 總線的電氣連接 / 斷開，包括上電復(fù) 位、上電檢測，模塊自身的初始化以及加載配置空間數(shù)據(jù)等。軟件連接指軟件層同系統(tǒng)的連接或你看過程， 對于模塊的插入， 這一過程包 括分配系統(tǒng)資源（如內(nèi)存