常用單元電路——熱插拔

1、w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o m深研所新員工培訓深研所新員工培訓w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o m熱插拔熱插拔MPC860應用設計串口網(wǎng)口WDTJTAG熱插拔w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o m熱插拔的基本概念（一）熱插拔的基本概念（一）熱插拔即帶電插拔：熱插拔即帶電插拔：指系統(tǒng)在上電工作的情況下，插入或拔出其部件，使其脫離工作狀態(tài)或開始進入工作狀態(tài)?？焖俨灏危褐冈趩伟宀灏螘r盡量縮短單板電源接觸母板插針和單板信號接觸母板插針時間

2、間隔。w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o m熱插拔的基本概念（二）熱插拔的基本概念（二）慢速插拔 指在單板插拔時盡量拉大單板電源接觸母板插針和單板信號接觸母板插針的時間間隔。也即讓單板的軟件先運行起來，然后再讓單板信號線與母板插針接觸上。w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o m接口模型接口模型w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o m四種信號VCC是電源，對于帶有二次電源模塊的單板而言，其啟動時間可能會更慢一些。S1是輸入信號線。S2是三態(tài)輸出信

3、號線。GND是工作地。模型說明（一）模型說明（一）w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o m信號之間的關系VCC與GND之間一般是濾波網(wǎng)絡。VCC與S1信號線（或S2）之間往往是上拉電阻以及芯片內(nèi)的箝位二極管或其它功能網(wǎng)絡。S1（或S2等信號線）與GND之間往往是RC網(wǎng)絡以及芯片內(nèi)的箝位二極管等。模型說明（二）模型說明（二）w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o m在某一時刻，導通的插針不一樣，單板對系統(tǒng)所表現(xiàn)出的負載特性也不一樣。實測結果：位置相隔近的插針導通的時間差比較小，大概為1ms量級。位置

4、相隔遠的插針導通的時間差比較大，可達到0.5秒量級。對系統(tǒng)和被插單板工作產(chǎn)生不良影響。不同插針先后導通產(chǎn)生的影響（二）不同插針先后導通產(chǎn)生的影響（二）w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o m對系統(tǒng)的影響電源因為與每個信號都相關聯(lián)，因此電源的導通先后對系統(tǒng)影響很大。對CMOS電路，當電源的導通時間落后于信號線的導通時，由于被插單板電路中的CMOS器件輸入端、輸出端與電源端可能有一個低阻通路（可以等效為一個與電源相連的保護二極管），信號會通過保護二極管向電源端灌流，結果可能會使系統(tǒng)上其他相應單板的對應端輸出信號負載過大，從而影響系統(tǒng)的正常工作。不同

5、插針先后導通產(chǎn)生的影響（三）不同插針先后導通產(chǎn)生的影響（三）w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o m對單板的影響增加帶電插拔座的單板，電源與其它插針之間的導通時差更大。為了保證被插單板開工時所有的接口信號都已經(jīng)穩(wěn)定下來，要求單板在開工前有一個幾秒鐘的等待時間。否則可能產(chǎn)生單板接口信號輸入或輸出出錯。不同插針先后導通還容易使被插單板CMOS接口器件產(chǎn)生閂鎖。因為如果不對插針的導通先后加以控制，很容易出現(xiàn)信號線導通先于電源導通的情況，這增加了發(fā)生閂鎖的可能。不同插針先后導通產(chǎn)生的影響（三）不同插針先后導通產(chǎn)生的影響（三）w w w . h a r

6、b o u r n e t w o r k s . c o m每根插針可等效為一個感性或容性負載。在惡劣插拔時容易產(chǎn)生高頻振蕩脈沖并疊加在相應的信號上，如果系統(tǒng)對該信號的質(zhì)量極為敏感，則有可能引發(fā)問題。插拔產(chǎn)生的過沖、毛刺也可能損壞對被插單板的接口器件。插針導通瞬間產(chǎn)生的高頻脈沖影響（一）插針導通瞬間產(chǎn)生的高頻脈沖影響（一）w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o mMHzLCf150102010602121129 L引線電感取約60nHC引線分布電容取約20pF 該計算結果是一個近似值，實際頻率一般更高。高頻脈沖的諧振頻率計算公式：插針導通瞬間產(chǎn)

7、生的高頻脈沖影響（二）插針導通瞬間產(chǎn)生的高頻脈沖影響（二）w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o m共路輸出信號的三態(tài)控制問題共路輸出信號的三態(tài)控制問題考慮模型中的S2信號，對應于多個單板輸出的情況：熱插拔時，多個三態(tài)門同時打開，產(chǎn)生數(shù)據(jù)沖突。設計上必須保證被插單板的輸出門處于高阻態(tài)。一個例子：作接口緩沖的三態(tài)門的使能端由FPGA控制，在上電瞬間，由于FPGA還沒有完成加載，其控制端處于高阻態(tài)，三態(tài)門就有可能被開啟。w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o m電源暫態(tài)效應電源暫態(tài)效應系統(tǒng)工作電源電壓出

8、現(xiàn)大幅波動的可能原因：電源內(nèi)阻及背板走線電阻的影響。被插單板一般存在多個濾波電容，在上電瞬間電容充電電流較大。被插單板電子器件進入工作狀態(tài)的瞬間電流較大。電源暫態(tài)效應后果：電壓抖降的幅度超過一定限度值，導致系統(tǒng)中的其他單板復位。 接插件打火。w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o m信號暫態(tài)效應信號暫態(tài)效應信號線接口設計不當也可能會引起負載突然接入的暫態(tài)效應，從而影響到背板上的信號。設計時要注意考慮信號最大帶負載能力，避免影響背板信號的匹配及背板輸出信號的瞬間過載。w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c

9、 o m熱插拔設計原則（一）熱插拔設計原則（一）總原則要求不影響系統(tǒng)的正常工作。同時被插單板能夠進入正常工作狀態(tài)。w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o m注意帶電插入電路板時插針的接通次序注意帶電插入電路板時插針的接通次序被插電路板上的信號建立順序依次為：地、電源、使能信號、輸入輸出信號。如果有多個電源，一般以電壓絕對幅值從小到大的先后順序?qū)?。拔出單板時，要求掉電順序正好與之相反。熱插拔設計原則（二）熱插拔設計原則（二）w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o m硬件措施硬件措施在被插電路板上應安

10、裝帶電插拔座。在背板上應安裝對應的帶電插拔插針：通?？蓛H安裝工作地（GND）的連接端子。在必要的情況下，可同時安裝工作電源（VCC）和工作地（GND）的連接端子。地插針比電源插針長。對于2mmHM插座而言，不采用專門的帶電插拔座，但要注意分配較長的針腳作為地和電源的連接針。熱插拔設計原則（三）熱插拔設計原則（三）w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o m軟件措施軟件措施單板軟件在程序開始時要有延時保護措施，確保單板與母板充分接觸后，單板軟件才正式開始工作。建議在被插電路板上運行的軟件從啟動到開工等待至少200ms時間，可采用循環(huán)指令或定時器來實現(xiàn)

11、。單板軟件對單板專用芯片初始化過程中要有“自愈”處理能力。熱插拔設計原則（四）熱插拔設計原則（四）w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o m注意熱插拔單板的輸出信號狀態(tài)注意熱插拔單板的輸出信號狀態(tài)若被插入單板存在著與其他單板直連的共輸出時分接口信號，在帶電插入時要注意其輸出接口信號的使能控制端處于封鎖態(tài)，使對應的接口信號處于三態(tài)。譬如對FPGA控制的三態(tài)使能端，采用上拉電阻后，在上電瞬間FPGA加載完成之前，三態(tài)門仍處于關閉狀態(tài)。熱插拔設計原則（五）熱插拔設計原則（五）w w w . h a r b o u r n e t w o r k s .

12、 c o m注意避免熱插拔引起的電源暫態(tài)效應注意避免熱插拔引起的電源暫態(tài)效應對于直接由母板提供工作電壓的單板，電源輸入應采用型濾波器濾波，避免引起系統(tǒng)電源波動，提高被插單板的電源質(zhì)量。熱插拔設計原則（六）熱插拔設計原則（六）w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o m熱插拔設計原則（七）熱插拔設計原則（七）L1C1C3C2C4VinVoutC1的值一般在10uF-47uF 之間；C2的值一般在0.01uF-0.1uF之間；C3的值一般在10uF-50uF之間，C4的值一般在0.01uF-0.1uF之間L1的值一般在10uH-40uH，標準值為10u

13、H。w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o m電容的作用電容的作用C1/C3和C2/C4一般是由低頻電容及高頻電容組成的并聯(lián)電容組:其中C1與C3一般為電解電容，其主要作用是濾除電源中的低頻噪聲。而C2與C4一般為獨石或瓷片電容，主要作用是為了濾除電源上的高頻噪聲。C3/C4輸出側的電容不僅要完成去耦及過濾紋波的作用，并且還須維持輸出電平不受電感反電勢的影響熱插拔設計原則（八）熱插拔設計原則（八）w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o m電感的作用電感的作用抑制電流瞬間變化。電感值越大，抑制效果越好

14、。電感值太大時單板的上電特性不好，上電及掉電或帶電插拔時，電感兩端會產(chǎn)生反電勢，影響負載。熱插拔設計原則（九）熱插拔設計原則（九）w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o m對于采用二次電源模塊供電的單板，可考慮對二次電源的緩起電路，避免插入瞬間因接觸電阻較大引起插針打火。熱插拔設計原則（十）熱插拔設計原則（十） w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o m通過R/C參數(shù)設計，可確定電路啟動時間。為減低接插件的接觸電阻，在設計電路時，要注意給主電源和地一般要各分配不少于四排的插針。熱插拔設計原則（十一）

15、熱插拔設計原則（十一）w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o m注意接口信號的緩沖處理注意接口信號的緩沖處理單板上的CMOS、TTL接口信號要注意避免直接從背板引入或拉出到背板；必須采用緩沖器進行隔離，以免插拔時產(chǎn)生的毛刺、過沖信號及瞬態(tài)大電流損壞芯片，緩沖器具有較大的抗過壓、過流的能力。熱插拔設計原則（十二）熱插拔設計原則（十二）w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o m緩沖器選用（一）緩沖器選用（一）由于AC、ALVC等系列緩沖器的輸入輸出級有一個到VCC的低阻通路，當系統(tǒng)局部掉電時(譬如插板上

16、的保險燒斷、插拔瞬間等），會導致與之相連的其他單板上的輸出因負載過大而被拉低。而ABT、 LVT、 LVC、 GTL、 BTL等系列緩沖隔離器掉電時，其I/O 為高阻，不會影響到相關信號。熱插拔設計原則（十三）熱插拔設計原則（十三） w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o m緩沖器選用（二）緩沖器選用（二）建議采用ABT/LVT系列緩沖器（如ABT/LVTH16244）進行隔離。需要注意的是，ABT/LVTH16244的輸出驅(qū)動能力很強，為減小振鈴效應，盡管ABT16244內(nèi)部輸出串電阻，最好在其輸出端串接小電阻。對于單板內(nèi)部的驅(qū)動，如果速度不是

17、過高，驅(qū)動負載較少的情況下建議使用AC等系列器件，以免引起過高的過沖等。熱插拔設計原則（十四）熱插拔設計原則（十四）w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o m差分緩沖器差分緩沖器對于差分信號，建議采用ABT系列的接口芯片：如ABT26C31/32等，以提高單板抗過壓過流的能力。熱插拔設計原則（十五）熱插拔設計原則（十五）w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o m注意單板上接口的帶電插拔問題單板上接口的帶電插拔問題在單板處于工作狀態(tài)下，帶電插拔單板上的接口，使外部設備與單板處于連接或斷開狀態(tài)，由于地電

18、位的不一致，當帶電插拔時存在很高的瞬時電位加在接口器件I/O管腳上，極易導致接口器件擊穿而損壞。 因此單板插座采用地線先接觸插座采用地線先接觸的帶電插拔座，或接口信號線串接電阻進行限流，增加瞬態(tài)二極管保護。熱插拔設計原則（十六）熱插拔設計原則（十六）w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o mRS-232C的接口電路，在R1IN腳，增加了R1、D1、D2等3個器件進行保護。在一般情況下，瞬態(tài)保護二極管D1、D2可不必使用。熱插拔設計原則（十七）熱插拔設計原則（十七）w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o m案例波形案例波形電源沖擊波形w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o m故障現(xiàn)象：快速插入X模塊Z單板，會造成接口框母板+5V電源振蕩，測試波形見上圖，其中Chanel 2為+5V電源振蕩波形，通道1為Z單板主用信號。說明：電源板用PWC和PWS都一樣。案例解釋（一）案例解釋（一）w w