工程技術(shù)基礎(chǔ)-熱插拔知識(shí)詳解及案例分析

1、目錄 第一章熱插拔概述21.1歷史21.2熱插拔常見(jiàn)問(wèn)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(jiàn)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(wèn)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(wèn)題及其防治114.1浪涌說(shuō)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(cuò)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175.1 I2C總線熱插拔175.2 I2C總線熱插拔案例185.3 74

2、LVT16245在總線熱插拔中應(yīng)用195.5擴(kuò)展知識(shí) 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(duì)這些設(shè)備的部件進(jìn)行拆裝維修、維護(hù)、擴(kuò)展時(shí)，系統(tǒng)不能停機(jī)，停機(jī)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(duì)連接到總線上的設(shè)備，

3、對(duì)單個(gè)設(shè)備進(jìn)行插入或者拔出的時(shí)候，不能對(duì)總線產(chǎn)生較大干擾，否則會(huì)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(kāi)始于PC機(jī)的開(kāi)發(fā)中，從586時(shí)代開(kāi)始，系統(tǒng)總線都增加了外部總線的擴(kuò)展，此時(shí)的系統(tǒng)總線已經(jīng)初步滿足的熱插拔的要求1997年開(kāi)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)外設(shè)均以推出了支持熱插拔的產(chǎn)品。1.2熱插拔常見(jiàn)問(wèn)題在以前，我們使用電腦或者其他電子設(shè)備時(shí)，總會(huì)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

4、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(duì)不支持熱插拔的系統(tǒng)，帶電插拔為什么會(huì)造成如此嚴(yán)重的后果？l 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(duì)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)。l 熱插拔誘發(fā)靜電問(wèn)題：雖然冷插拔過(guò)程中也有靜電問(wèn)題，但是由于熱插拔時(shí)一部分電路是處于上電工作狀態(tài)，因此熱插拔時(shí)的靜電干擾會(huì)引發(fā)諸如“閂鎖效應(yīng)”之類惡性故障，除此之外，熱插拔對(duì)于穩(wěn)定工作的背板設(shè)備的靜電干擾使得本來(lái)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。 l 熱插拔導(dǎo)致浪涌問(wèn)題：當(dāng)單板插入機(jī)框時(shí)

5、，機(jī)框中其他設(shè)備已處于穩(wěn)定工作狀態(tài)所，所有儲(chǔ)能電容均被充滿電，而單板上的電容沒(méi)有電荷，當(dāng)設(shè)備與主板接觸時(shí)設(shè)備上的電容充電將在短時(shí)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(huì)使電源出現(xiàn)瞬時(shí)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。l 熱插拔對(duì)總線造成干擾：總線上插入板卡時(shí)，由于新插入板卡電容的充電以及上電過(guò)程中一些低阻抗通道的存在，會(huì)產(chǎn)生極大的浪涌電流，拉低總線電平，對(duì)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(shí)插拔時(shí)也對(duì)總線接口帶來(lái)靜電問(wèn)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l

6、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(gè)低阻通路。l 故障現(xiàn)象：CMOS芯片的電源和地之間大電流通過(guò)，導(dǎo)致芯片自身燒毀失效，嚴(yán)重時(shí)會(huì)波及周圍的電路和易燃器件（如：鉭電容）。l 內(nèi)部機(jī)理：見(jiàn)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(shí)，其中的NMOS的有源區(qū)、P襯底、N阱、PMOS的有源區(qū)構(gòu)成一個(gè)n-p-n-p的結(jié)構(gòu)，即寄生晶體管，本質(zhì)是寄生的兩個(gè)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?yàn)镻襯底和

7、N阱帶有一定的電阻，分別用R1和R2來(lái)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(huì)是Q1或者Q2開(kāi)啟。例如Q1開(kāi)啟，它會(huì)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(huì)開(kāi)啟，同時(shí)，又反饋電流提供給Q1，形成惡性循環(huán)，最后導(dǎo)致大部分的電流從VDD直接通過(guò)寄生晶體管到GND，而不是通過(guò)MOSFET的溝道，這樣?xùn)艍壕筒荒芸刂齐娏?Kyechong Kim a, Agis A. Iliadis ，Latch-up effects in CMOS inverters due to high power pulsed electromagnetic int

8、erference。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(lái)表示，如圖2-2所示，其結(jié)構(gòu)實(shí)際上是一個(gè)雙端PNPN結(jié)結(jié)構(gòu)，如果再加上控制柵極 ，就組成門(mén)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(kāi)始處于正向阻斷狀態(tài)，當(dāng)電壓達(dá)到轉(zhuǎn)折電壓時(shí)，器件會(huì)經(jīng)過(guò)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)(=0)，也可以由門(mén)極電流觸發(fā)(O)。門(mén)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， 分別是PNP和NPN共基極增益，是集電極飽和

9、電流。對(duì)上式進(jìn)行調(diào)整，得到如下關(guān)系：其中 在低阻抗時(shí)，可以忽略，另，在一般情況下，可以發(fā)現(xiàn)或者其中 代表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(guò)電阻，也就是沒(méi)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 GENDA.HU,A Better Understand of CMOS Latch-Up。兩個(gè)寄生晶體管工作時(shí)，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(jí)的描述一樣，一股大的電流將由電源流向接地端，導(dǎo)致一般正常電路工作中斷，甚至?xí)捎诟唠娏魃岬膯?wèn)題而燒毀芯片2.2閂鎖的產(chǎn)生條件l 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.>1l 外

10、觸發(fā)條件：一個(gè)維持足夠長(zhǎng)時(shí)間的外部電流，使雙極型晶體管導(dǎo)通起來(lái)。l 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(jiàn)誘發(fā)原因l 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(jiàn)的誘發(fā)原因。l 電源端異常的浪涌電壓或噪聲干擾，l 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l 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。l 板卡插入瞬間由于電容充電電流，導(dǎo)致背板電源異常波動(dòng)，引發(fā)器件閂鎖。l 單板插入時(shí)板上靜電放電導(dǎo)致的閂鎖l 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l

11、電路接口部分采用防護(hù)措施：防止觸發(fā)信號(hào)的引入：l COMS器件輸入/輸出端加限流電阻l 小功耗器件電源線上串限流電阻l 防止電源/地線電壓波動(dòng)l 避免大電容負(fù)載：第三章 熱插拔導(dǎo)致的靜電問(wèn)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(gè)原子的質(zhì)子數(shù)與電子數(shù)量相同，正負(fù)平衡，所以對(duì)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(kāi)原來(lái)的原子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(yáng)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，

12、這個(gè)外力包含各種能量(如動(dòng)能、位能、熱能、化學(xué)能等)在日常生活中，任何兩個(gè)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(gè)不同的物體相互接觸時(shí)就會(huì)使得一個(gè)物體失去一些電荷如電子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體使其帶正電，而另一個(gè)物體得到一些剩余電子的物體而帶負(fù)電。 若在分離的過(guò)程中電荷難以中和，電荷就會(huì)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(huì)帶上靜電。通常在從一個(gè)物體上剝離一張塑料薄膜時(shí)就是一種典型的“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(huì)因接觸分離而帶上靜電。這是因?yàn)闅怏w也是由分子、原子組成，當(dāng)空氣流動(dòng)時(shí)分子、原子也會(huì)發(fā)生“接觸分離”而起電。我們

13、都知道摩擦起電而很少聽(tīng)說(shuō)接觸起電。實(shí)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(guò)程。摩擦是一個(gè)不斷接觸與分離的過(guò)程。因此摩擦起電實(shí)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(dòng)或摩擦而產(chǎn)生靜電。另一種常見(jiàn)的起電是感應(yīng)起電。當(dāng)帶電物體接近不帶電物體時(shí)會(huì)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(gè)具有不同靜電電位的物體，由于直接接觸或靜電場(chǎng)感應(yīng)引起兩個(gè)物體間的靜電電荷轉(zhuǎn)移稱為靜電放電。如果帶電體是通過(guò)電子元器件來(lái)放電，就會(huì)給元器件帶來(lái)?yè)p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(wú)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

14、。2） 靜電會(huì)帶來(lái)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(guò)程中的靜電問(wèn)題正如靜電定義中描述的兩個(gè)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(gè)物體，人體、熱插拔單板、機(jī)箱背板，因此在熱插拔中靜電問(wèn)題很容易出現(xiàn)。下面舉兩個(gè)最常見(jiàn)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(duì)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(guò)程。通過(guò)這這些例子，我們分

15、析發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)問(wèn)題。第一由于熱插拔功能，原來(lái)不太需要關(guān)注靜電問(wèn)題的機(jī)箱背板接口（內(nèi)部接口），成為必須討論靜電問(wèn)題的接口。也就是說(shuō)，背板接口的設(shè)計(jì)中防靜電設(shè)計(jì)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(wèn)題。因此在背板接口部分增加防靜電設(shè)計(jì)將明顯加大單板設(shè)計(jì)難度和單板成本。第二如果人體和機(jī)箱已及熱插拔單板能夠良好接地，熱插拔中靜電問(wèn)題完成可以避免。這個(gè)假設(shè)非常有意義，因?yàn)樗晒Φ谋荛_(kāi)了第一條提到的單板設(shè)計(jì)難度和單板成本增加，只需要給機(jī)箱加上一個(gè)防靜電手鏈，然后在說(shuō)明書(shū)中明確要求熱插拔操作時(shí)，操作員必須帶防靜電手鏈即可。但這只是個(gè)假設(shè)，如果客戶熱插拔時(shí)沒(méi)帶防靜電手鏈，并引發(fā)

16、單板的靜電損傷，我們能如何哪？只能說(shuō)服教育+免費(fèi)維修。因此如果希望從通過(guò)給接地解決熱插拔中的靜電問(wèn)題，我們還需要有其他手段。 這里總結(jié)一下針對(duì)熱插拔引發(fā)的靜電問(wèn)題的對(duì)策1） 背板接口要做放電的設(shè)計(jì)，信號(hào)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(jì)和單板設(shè)計(jì)上添加預(yù)接地設(shè)計(jì)，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(wèn)題及其防治4.1浪涌說(shuō)明第1章第2章第3章第4章4.14.1.1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(guò)電壓；浪涌電流是

17、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(guò)載電流。本質(zhì)上講，浪涌是發(fā)生在僅僅幾百萬(wàn)分之一秒時(shí)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(jì)劃地訪問(wèn)熱插拔設(shè)備，允許在不停機(jī)或很少需要操作人員參與的情況下，實(shí)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(shí)，如圖4-1所示，將會(huì)發(fā)生以下情況： 圖4-1 電路板插入順序和上電時(shí)的浪涌電流在新插入并開(kāi)始上電的PCB上，用于旁路和濾波存儲(chǔ)的大電容將瞬間短路并開(kāi)始充電。充電電荷來(lái)自于帶電

18、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(kāi)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。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(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。圖4-2 注入電解電容的浪涌電流和電容充電時(shí)兩端的電壓熱插拔過(guò)程中產(chǎn)生的電壓瞬變可能對(duì)

19、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、背板連接器引腳或保險(xiǎn)絲被燒斷。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(huì)在信號(hào)總線上引入共模噪聲?？紤]到這一潛在問(wèn)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(cuò)誤。另外一個(gè)容易忽略的問(wèn)題是系統(tǒng)的長(zhǎng)期可靠性，設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)臒岵灏伪Ｗo(hù)電路會(huì)使電路板

20、上的元器件在長(zhǎng)期受到熱插拔事件的沖擊下而損壞。解決這一問(wèn)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。4.2浪涌防治4.24.2.1交錯(cuò)引腳法這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，通過(guò)一長(zhǎng)、一短兩個(gè)電源引腳組成。熱插拔過(guò)程中，通過(guò)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(zhǎng)電源引腳首先接觸到電源并通過(guò)一個(gè)串聯(lián)電阻RPRECHARGE開(kāi)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(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

21、RPRECHARGE，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。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(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)，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(shí)際存在一定隱患，不能可靠控制浪涌電流。 該架

22、構(gòu)的另一個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)步驟是選擇RPRECHARGE，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。所以，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。4.2.2熱敏電阻法另一種實(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4-4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。

23、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(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(wèn)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(wèn)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(méi)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?？偠?/p>

24、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，限制浪涌電流。但是，熱敏電阻的熱插拔控制器不能滿足系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠性的需求。4.2.3單芯片熱插拔控制器事實(shí)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(gè)電路限制插入板卡的浪涌電流、提供過(guò)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：欠壓（UV）和過(guò)壓（OV）保護(hù)；過(guò)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(kāi)故障負(fù)

25、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。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(guò)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。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(lái)的熱插拔方案解決故障問(wèn)題或者只是很好地解決了其中部分問(wèn)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(wú)法預(yù)測(cè)的。目前，高度集成的熱插

26、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。第五章 總線熱插拔在實(shí)際運(yùn)用中，總線上插入板卡時(shí)，由于新插入板卡電容的充電以及上電過(guò)程中一些低阻抗通道的存在，會(huì)產(chǎn)生極大的浪涌電流，拉低總線電平，對(duì)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(shí)插拔時(shí)也對(duì)總線接口帶來(lái)靜電問(wèn)題。所以，對(duì)總線進(jìn)行熱插拔時(shí)，必須采取一些措施對(duì)子卡上電進(jìn)行控制，限制浪涌電流，同時(shí)也要提供一定的靜電泄放通道。下面對(duì)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 Philips公司推出的串行總線標(biāo)準(zhǔn)，由數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)

27、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(guò)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(gè)I2C設(shè)備時(shí)，不應(yīng)該對(duì)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(hào)。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(dòng)器，Philips公司的PCA9510APCA9514A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， PCA9

28、511A，在系統(tǒng)中的運(yùn)用如圖5-2所示。圖5-2 PCA9511A運(yùn)用實(shí)例PCA9511A實(shí)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(guò)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(kāi)的，SCLIN和SCLOUT之間也一樣是斷開(kāi)的。當(dāng)上電過(guò)程完成后，ENABLE管腳由低電平變?yōu)楦唠娖搅?，進(jìn)入初始化狀態(tài)，內(nèi)部的預(yù)充電功能開(kāi)始執(zhí)行，當(dāng)初始化進(jìn)入尾聲的時(shí)候，停止命令和總線空閑狀態(tài)檢測(cè)功能開(kāi)始執(zhí)行，ENABLE有效的時(shí)間足夠長(zhǎng)后，所有的SDA和SCL管腳都進(jìn)入了高

29、電平狀態(tài)，這時(shí)候如果在SDAIN和SCLIN總線上檢測(cè)到停止命令或者檢測(cè)到空閑信號(hào)，則SCLIN和SCLOUT連接，同樣的SDAIN和SDAOUT也連接，并且IN信號(hào)和OUT信號(hào)之間通過(guò)雙向緩沖器對(duì)內(nèi)部電容和外部電容進(jìn)行隔離。經(jīng)過(guò)以上處理過(guò)程，基本上消除了I2C熱插拔時(shí)總線的浪涌電流。同時(shí)，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(guò)程中的靜電泄放問(wèn)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L(zhǎng)PC2103，子卡與背板設(shè)備之間通過(guò)I2C總線通信

30、，示意圖如下5-3所示。圖5-3 I2C總線連接示意圖當(dāng)某個(gè)槽位空閑而其他槽位子卡在位工作時(shí)，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(wú)法正常工作。原因及解決辦法：較早設(shè)計(jì)的設(shè)備，沒(méi)有進(jìn)行I2C熱插拔設(shè)計(jì)，導(dǎo)致熱插拔I2C總線上某個(gè)設(shè)備時(shí)對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生干擾，影響正常工作。后續(xù)設(shè)計(jì)I2C總線板卡，需進(jìn)行熱插拔設(shè)計(jì)。5.3 74LVT16245在總線熱插拔中應(yīng)用圖5-4為通過(guò)總線連接到一起的板卡，Card1工作時(shí)，將接口總線被驅(qū)動(dòng)為高電平（CMOS的上管導(dǎo)通），此時(shí)插入Card2，由于Card2

31、的Vcc上電需要一定的時(shí)間，導(dǎo)致使能信號(hào)和輸入端信號(hào)都為低電平，因此Card將驅(qū)動(dòng)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(gè)接口器件都存在被損壞的可能。圖5-4 總線連接設(shè)備上電示意圖子卡與背板之間通過(guò)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(lái)現(xiàn)在熱插拔處理，74LVT16245就是我們最常用的芯片。74LVT16245對(duì)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(duì)任何輸入信號(hào)作出響應(yīng)，這種解決方法稱為上電三態(tài)（PU3S ：Power up 3 state

32、），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(gè)如上圖所示的結(jié)構(gòu)，PU3S輸出低電平時(shí)，器件輸出端呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，只有在PU3S輸出高電平時(shí)，輸出端才能對(duì)輸入端的信號(hào)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(guò)閾值后才能導(dǎo)通，因此在Vcc上電的過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)2保持為高電平，驅(qū)動(dòng)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?，?qū)動(dòng)PU3S輸出高電平，器件輸出端開(kāi)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

33、效隔離，還有一個(gè)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(jiàn)圖5-4。表5-4 74LVT16245方向控制圖5.5擴(kuò)展知識(shí) 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(tái)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(jì)，CompactPCI的連接器分為長(zhǎng)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(jì)使得C

34、ompactPCI模塊在插入和拔出時(shí)各引腳按一定的順序與系統(tǒng)底板進(jìn)行連接和斷開(kāi)。長(zhǎng)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(hào)引腳。當(dāng)模塊上電以后，這些信號(hào)應(yīng)該保持三態(tài)。為了減小對(duì)PCI信號(hào)的影響，在插入過(guò)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(hào)，當(dāng)這個(gè)信號(hào)有效時(shí)（低電平），表示整個(gè)模塊已完全插入系統(tǒng)中。軟件方面，需要在驅(qū)動(dòng)曾想級(jí)、服務(wù)程序級(jí)以及在應(yīng)用程序級(jí)上有足夠的附加軟件來(lái)支持。CompactPCI熱插拔技術(shù)規(guī)范將熱插拔劃分為3個(gè)過(guò)程：物理連接、硬件連接和軟件連接。物理連接過(guò)程是一個(gè)機(jī)械連接過(guò)程，插入CompactPCI模塊時(shí)，首先通過(guò)板卡兩側(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(duì)PCI信號(hào)線進(jìn)行預(yù)加電，使這些信號(hào)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(shí)產(chǎn)生的瞬態(tài)電流最小，最大限度的減小對(duì)總線的瞬態(tài)干擾，達(dá)到保護(hù)總線信號(hào)的目的，然后是中針引腳（pCI信號(hào)線）與系統(tǒng)總線接通，最后是短針引腳接通，同時(shí)向系統(tǒng)發(fā)出一個(gè)使能信號(hào)，系