工程技術(shù)基礎(chǔ)-熱插拔知識詳解及案例分析

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第二章熱插拔導致的閂鎖效應及其防治42.1閂鎖效應及其機理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閂鎖的預防措施7第三章熱插拔導致的靜電問題及其防治83.1靜電產(chǎn)生83.2靜電放電失效機理9第四章熱插拔導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在總線熱插拔中應用195.5擴展知識 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)備投入運行后，必須夜以繼日的運轉(zhuǎn)，對這些設(shè)備的部件進行拆裝維修、維護、擴展時，系統(tǒng)不能停機，停機則意味則重大的經(jīng)濟損失。這就要求設(shè)備部件能夠在系統(tǒng)帶電運行的情況下進行接入或者移出。另一方面，對連接到總線上的設(shè)備，

3、對單個設(shè)備進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)備的停機或者誤碼產(chǎn)生，影響整條總線業(yè)務。熱插拔技術(shù)正是在這種需求下應運而生。民用熱插拔技術(shù)開始于PC機的開發(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

4、機或者重啟，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重的后果？l 熱插拔引發(fā)閂鎖效應：熱插拔前設(shè)備之間可能存在較高電位差，如果不采取相應措施這種電位差將對設(shè)備上的IC 芯片構(gòu)成嚴重危害，尤其是CMOS器件，有可能引發(fā)閂鎖效應。l 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“閂鎖效應”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。 l 熱插拔導致浪涌問題：當單板插入機框時

5、，機框中其他設(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)瞬時跌落導致系統(tǒng)復位、引發(fā)閂鎖效應、導致連接器電路板金屬連線和電路元件燒壞。l 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 熱插拔導致的閂鎖效應及其防治2.1閂鎖效應及其機理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)導通，在電源和地之間形成一個低阻通路。l 故障現(xiàn)象：CMOS芯片的電源和地之間大電流通過，導致芯片自身燒毀失效，嚴重時會波及周圍的電路和易燃器件（如：鉭電容）。l 內(nèi)部機理：見圖2-1圖2-1 閂鎖內(nèi)部機理示意圖如圖2-1所示，CMOS發(fā)生閂鎖效應時，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

7、N阱帶有一定的電阻，分別用R1和R2來表示。當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，這樣柵壓就不能控制電流 Kyechong Kim a, Agis A. Iliadis ，Latch-up effects in CMOS inverters due to high power pulsed electromagnetic int

8、erference。閂鎖機理的集總器件表述：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所示的負阻特性，該現(xiàn)象就稱為閂鎖效應（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)，當電壓達到轉(zhuǎn)折電壓時，器件會經(jīng)過負阻區(qū)由阻斷狀態(tài)進入導通狀態(tài)這種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，可以由電壓觸發(fā)(=0)，也可以由門極電流觸發(fā)(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。對上式進行調(diào)整，得到如下關(guān)系：其中 在低阻抗時，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)射極電流都繞過電阻，也就是沒有閂鎖效應發(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。兩個寄生晶體管工作時，形成正反饋電路，加深可控硅導通，造成的結(jié)果在器件級的描述一樣，一股大的電流將由電源流向接地端，導致一般正常電路工作中斷，甚至會由于高電流散熱的問題而燒毀芯片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：一個維持足夠長時間的外部電流，使雙極型晶體管導通起來。l 電流供應能力：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，導致背板電源異常波動，引發(fā)器件閂鎖。l 單板插入時板上靜電放電導致的閂鎖l 板卡拔出瞬間由于電感的感生電壓導致背板CMOS器件閂鎖。2.5閂鎖的預防措施l

11、電路接口部分采用防護措施：防止觸發(fā)信號的引入：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l 避免大電容負載：第三章 熱插拔導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、這個外力包含各種能量(如動能、位能、熱能、化學能等)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，當空氣流動時分子、原子也會發(fā)生“接觸分離”而起電。我們

13、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起電。當帶電物體接近不帶電物體時會在不帶電的導體的兩端分別感應出負電和正電。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引起兩個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，就會給元器件帶來損傷，導致器件失效。如上所述我們可以明確兩點：1） 靜電無處不在，只要是絕緣體機就有可能帶靜電（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)。下面舉兩個最常見的例子1） 人體本身帶有靜電，而機箱已經(jīng)接地，熱插拔瞬間人體靜電電荷將經(jīng)熱插拔單板對機箱背部放電。2） 機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

15、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)

16、單板的靜電損傷，我們能如何哪？只能說服教育+免費維修。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） 機箱結(jié)構(gòu)設(shè)計和單板設(shè)計上添加預接地設(shè)計，使得熱插拔發(fā)生前單板已經(jīng)與機箱接地是非常必要的。第四章 熱插拔導致的浪涌問題及其防治4.1浪涌說明第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，允許在不停機或很少需要操作人員參與的情況下，實現(xiàn)故障恢復和系統(tǒng)重新配置。4.1.2產(chǎn)生原因如果將機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

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，以及電容充電時兩端的電壓。從曲線圖可以看出，電流峰值達到了9.44A，從系統(tǒng)吸取較大功率，這將導致背板系統(tǒng)的電容放電。從而使電源電壓跌落，可能造成相鄰板卡復位，引入數(shù)據(jù)傳輸故障或嚴重干擾其它系統(tǒng)的運行。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

19、已插入背板的板卡造成嚴重威脅。浪涌現(xiàn)象會導致背板電源的跌落，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)意外復位。不受限制的浪涌電流還會導致元器件損壞：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，也會導致相鄰板卡產(chǎn)生復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?？紤]到這一潛在問題，熱插拔控制電路必須采取保護措施，避免在背板上產(chǎn)生強噪聲而導致總線數(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?shù)臒岵灏伪Ｗo電路會使電路板

20、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4.24.2.1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“早供電引腳”、“預充電壓”或者是“預先加載”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

21、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，這是一種機械方案，考慮到連接器的機械容差，完全相同的引腳長度并不能確保接觸時間精確相同。實際應用中用戶會看到上述不同變數(shù)。而且，當短電源引腳略長、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

22、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。預充電阻的選擇必須權(quán)衡預充電流和浪涌電流。所以，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)溫度變化進行系統(tǒng)調(diào)節(jié)的電路應用非常普遍。負溫度系數(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。

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，則會導致器件損壞。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)計人員必須考慮負溫度系數(shù)(NTC)的反作用時間。另外一個關(guān)鍵問題是，當板卡反復插入或拔出背板時，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、提供過流和負載瞬變保護、降低系統(tǒng)失效點，工程師可以嚴格控制熱插拔保護板卡的長期可靠性。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；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

25、載；利用外部驅(qū)動FET構(gòu)成“理想二極管”提供反向電流保護；多電壓排序；發(fā)生負載故障后自動重試。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，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行狀態(tài)的系統(tǒng)是不可或缺的保護電路。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。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，也是工程師無法預測的。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引起數(shù)據(jù)傳輸錯誤或?qū)е孪到y(tǒng)已插入板卡的復位。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)備的正常運行。同時插拔時也對總線接口帶來靜電問題。所以，對總線進行熱插拔時，必須采取一些措施對子卡上電進行控制，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準，由數(shù)據(jù)線SDA和時

27、鐘線SCL構(gòu)成，可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。 I2C總線上擴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總線。運用舉例如圖5-1所示。圖5-1 I2C總線運用舉例由圖中可以看出，I2C總線上外掛了許多設(shè)備，當我們插入或者拔出某一個I2C設(shè)備時，不應該對其他設(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PCA9510APCA9514A都支持I2C總線熱插拔，總體原理差不多，具體性能上有點差異， PCA9

28、511A，在系統(tǒng)中的運用如圖5-2所示。圖5-2 PCA9511A運用實例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。當上電過程完成后，ENABLE管腳由低電平變?yōu)楦唠娖搅?，進入初始化狀態(tài)，內(nèi)部的預充電功能開始執(zhí)行，當初始化進入尾聲的時候，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管腳都進入了高

29、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，其中人體模型大于 2000V，機器模型大于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LPC2103，子卡與背板設(shè)備之間通過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，導致I2C總線上其他正在運行的設(shè)備無法正常工作。原因及解決辦法：較早設(shè)計的設(shè)備，沒有進行I2C熱插拔設(shè)計，導致熱插拔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，需進行熱插拔設(shè)計。5.3 74LVT16245在總線熱插拔中應用圖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的上管導通），此時插入Card2，由于Card2

31、的Vcc上電需要一定的時間，導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5-4 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，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，輸出端才能對輸入端的信號做出正確的響應。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通，因此在Vcc上電的過程中，節(jié)點2保持為高電平，驅(qū)動PU3S輸出低電平，Vcc上電完成后，M1導通，節(jié)點2變?yōu)榈碗娖?，?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

33、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5.5擴展知識 CompactPCI總線熱插拔PCI和PCI-X總線是多點并行互聯(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C

34、ompactPCI模塊在插入和拔出時各引腳按一定的順序與系統(tǒng)底板進行連接和斷開。長針：電源、地引腳。用于插槽放電和Vo引腳預充電。中針：PCI總線信號引腳。當模塊上電以后，這些信號應該保持三態(tài)。為了減小對PCI信號的影響，在插入過程中，應預充電到1V左右。短針：IDSEL、BD_SEL#引腳。用于模塊插入/拔出的確認信號，當這個信號有效時（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、服務程序級以及在應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械連接過程，插入CompactPCI模塊時，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，該模塊的預充電電路對PCI信號線進行預加電，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，達到保護總線信號的目的，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