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(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

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(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

3、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，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)開始于 PC 機(jī)的開發(fā)中，從 586 時(shí)代開始，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

4、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(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？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)。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(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

5、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(shí)，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。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 電以及上電過程中一些低阻抗通道的存在，會(huì)產(chǎn)生極大的浪涌電流

6、，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(gè)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(shí)會(huì)波及周圍的電路和易燃器件(如：鉭電容)。內(nèi)部機(jī)理：見圖2-11+卩襯底p+_Lp 1rQ|N阱5TTT7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

7、-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(huì) 是Q1或者Q2開啟。例如Q1開啟，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直接通過寄生晶體管到 GND， 而不是通過MOSFET的溝道，這樣?xùn)艍壕筒荒芸?/p>

8、制電流。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(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 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(shí)，器件會(huì)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)（lg=0），也可以由門極電流觸發(fā)（lg工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，：歲分別是PNP和NPN共基極

9、增益，lg是集電極飽和電流。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)，lco/lt可以忽略，另，在一般情況下，It =0，可以發(fā)ax + Ct： = 1 4 &丄cr丄 + 0|或者山0ii = 1 + 0丄卩丄（加+D + 0曲03丄+ 1）（3b）其中】收ltIr71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(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

10、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。沏阻1外觸發(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。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流，導(dǎo)致背板電源異常波動(dòng)，引發(fā)器件閂 鎖。單板插入時(shí)

11、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(hào)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(dòng) 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(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，離開原來的原子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)

12、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(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

13、甚至氣體都會(huì)因接觸分離而帶上靜電。這是因?yàn)闅?體也是由分子、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。我們都知道摩擦起電而很少聽說接觸起電。實(shí)質(zhì)上摩擦起電是一 種接觸又分離的造成正負(fù)電荷不平衡的過程。摩擦是一個(gè)不斷接觸與分離 的過程。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。如果帶電體是通過電子元器件來放電， 就會(huì)給元器件帶來損傷，導(dǎo)致器件失效

14、。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(huì)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(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 在熱插拔中靜電問題很容易出現(xiàn)。下面舉兩個(gè)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(duì)機(jī)箱背部放電

15、。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(gè)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(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_了第一條提到的

16、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， 然后在說明書中明確要 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(duì)熱插拔引發(fā)的靜電問題的對(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)致的浪涌問題及其防治4.1

17、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(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

18、帶電背板時(shí)，如圖4-1所示，將會(huì)發(fā)生以下情況：POER Bus barCixvCARD1CARD #2HOT.SWAPCONTROLLER77LOADSYSTEM POWER-SUPPLY MODULES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。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

19、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。File Edit Vertical Her Act) Trig Display Cursor? Measjr& Mgks MathUtiles HfelpCh1 5.0VCI12 2.0A QM SO.OMS/s 200號(hào)柯A Ch1 z 4 .甕圖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程中產(chǎn)生的電壓瞬變可能

20、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。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(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)臒岵灏伪Ｗo(hù)電路

21、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。 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。4.2浪涌防治4.2.1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)LONG PIN K 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，通過一長(zhǎng)、一短 兩個(gè)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。RECHARGE *.va_p(fuse)UJNvldcJ_soro山 DIGITAL BASEBAND CARD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一個(gè)串聯(lián)電阻Rprecharge

22、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(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

23、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)

24、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。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，

25、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?？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

26、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）和過壓（0V）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。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。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

27、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。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 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

28、來靜電問題。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)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。SDA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

29、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PCA9510A 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5-2ovccI2C SCLI2(T SLOT SCL2ENABLEVCCSCLOUTSDAOUT SCLINSDAINGNDREADYE E “ J2C_SDA2C_3LGT_SD.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

30、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?，進(jìn)入初始化狀態(tài)，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(shí)候，停止命令和總線空閑狀態(tài)檢測(cè)功能開始執(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

31、接，并且IN信號(hào)和OUT信號(hào)之間通過雙向緩沖器對(duì)內(nèi) 部電容和外部電容進(jìn)行隔離。經(jīng)過以上處理過程，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L(zhǎng)PC2103,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(tái)式設(shè)備MC為 LPC2103I2C總線圖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)，

32、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(jì)的設(shè)備，沒有進(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為通過總線連接到一起的板卡，Cardl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

33、出端口為低電平（CMOS的下管導(dǎo)通），從而在Cardl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。Card 1Card 2EN圖5-4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 -H- UL心片。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，上電三態(tài)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 5-5所

34、示。R1 Nodel R2 mNode2 !M1INV1oPU3SOut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(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，74LVT

35、16245有輸出使能管腳，能夠控制總線之間的有效隔離，還有一個(gè)方向控 制管腳，可以控制輸入和輸出的方向，具體方向控制見圖5-4。Table 3. Function table HIControlInput/outputnOELnDIRLnAnoutput nAn = nBnnEninputLHinpytoulpul nEn = nAnHXzZ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

36、，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。1 i .i ILLZl.罠 爲(wèi)-二中th PCI SinalL圖5-9 CompactPCI的連接器示意圖這樣的設(shè)計(jì)使得CompactPCI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。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，在插入過程中，應(yīng)預(yù)充電到 1V左右。短

37、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 加軟件來支持。CompactPCI 熱插拔技術(shù)規(guī)范將熱插拔劃分為 3 個(gè)過程：物理連接、硬件連 接和軟件連接。物理連接過程是一個(gè)機(jī)械連接過程，插入 CompactPCI 模塊時(shí)，首先通過板 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)， 系統(tǒng)由此知道有一模塊已經(jīng)插 入系統(tǒng)，即開始對(duì)它進(jìn)行初始化。 當(dāng)模塊拔出時(shí)， 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(cè)，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(duì)于模塊的