热插拔技术详解（下）

4、热插拔导致的浪涌问题及其防治

（1）浪涌的概念

浪涌（Electrical Surge）顾名思义就是瞬间出现超出稳定值的峰值，它包括浪涌电压和浪涌电流。

浪涌电压是指超出正常工作电压的瞬间过电压；浪涌电流是指电源接通瞬间或是在电路出现异常情况下产生的远大于稳态电流的峰值电流或过载电流。

本质上讲，浪涌是发生在仅仅几百万分之一秒时间内的一种剧烈脉冲。

热插拔(Hot Swap)是指在系统不断电的情况下，可以拔出或插入热插拔工作模块，而不影响系统的正常运行。热插拔技术可以提供有计划地访问热插拔设备，允许在不停机或很少需要操作人员参与的情况下，实现故障恢复和系统重新配置。

（2）产生原因

如果将机架上尚未充电的一块板卡插入带电背板时，如图4-1所示，将会发生以下情况：

电路板插入顺序和上电时的浪涌电流

在新插入并开始上电的PCB上，用于旁路和滤波存储的大电容将瞬间短路并开始充电。充电电荷来自于带电系统，电容C1、C2和C3 (这些其它板卡上已经充电的电容将开始放电)。这种不受控制的电容充电(或放电)将对新插入板卡上的电容注入较大的浪涌电流。浪涌电流的幅度可能在极短的时间内达到数百安培。

（3）浪涌的影响

随着电容快速充电，它们将表现为短路状态，瞬间吸收较大的电流。下图给出了注入电解电容的浪涌电流的波形图，以及电容充电时两端的电压。从曲线图可以看出，电流峰值达到了9.44A，从系统吸取较大功率，这将导致背板系统的电容放电。从而使电源电压跌落，可能造成相邻板卡复位，引入数据传输故障或严重干扰其它系统的运行。

注入电解电容的浪涌电流和电容充电时两端的电压

热插拔过程中产生的电压瞬变可能对已插入背板的板卡造成严重威胁。浪涌现象会导致背板电源的跌落，而背板电源总线的电压跌落或电源上的脉冲干扰可能造成系统意外复位。不受限制的浪涌电流还会导致元器件损坏：板卡旁路电容被烧毁、印刷电路板(PCB)引线被烧断、背板连接器引脚或保险丝被烧断。

背板电源总线的跌落会在要插入系统的板卡电源上产生扰动或脉冲干扰，也会导致相邻板卡产生复位或影响背板与板卡之间的通信。热插拔期间由于电源电压和地电平的变化，会在信号总线上引入共模噪声。考虑到这一潜在问题，热插拔控制电路必须采取保护措施，避免在背板上产生强噪声而导致总线数据通信错误。

另外一个容易忽略的问题是系统的长期可靠性，设计不当的热插拔保护电路会使电路板上的元器件在长期受到热插拔事件的冲击下而损坏。解决这一问题的有效途径是对热插拔板卡的浪涌电流峰值加以控制。

（4）浪涌防治

a、交错引脚法

这种控制浪涌电流的方法是使用“交错式引脚”，也称为“早供电引脚”、“预充电压”或者是“预先加载”引脚。从物理架构上引入交错引脚，通过一长、一短两个电源引脚组成。热插拔过程中，通过串联电阻控制浪涌电流。如图所示。

智能连接器提供有效的热插拔保护

长电源引脚首先接触到电源并通过一个串联电阻RPRECHARGE开始为新板卡的滤波、旁路电容充电。RPRECHARGE限制充电电流。板卡将要完全插入时，短电源引脚接入电源，从而旁路连接在长电源引脚的电阻RPRECHARGE，为板卡供电提供一个低阻通道。信号引脚通常在插入板卡的最后时刻接入。该方案中，电阻RPRECHARGE是保护器件，把浪涌电流限制在不至于烧坏引脚或干扰相邻板卡工作的水平。

但此方案不能控制滤波电容的充电速率。这种架构需要考虑两个关键因素：短引脚相对于长引脚的线长，板卡插入系统的快、慢。另外，这是一种机械方案，考虑到连接器的机械容差，完全相同的引脚长度并不能确保接触时间精确相同。实际应用中用户会看到上述不同变数。而且，当短电源引脚略长、PCB被快速插入背板时，RPRECHARGE将在输入电容充满电之前被短路，因此，这种看似可靠的方案实际存在一定隐患，不能可靠控制浪涌电流。

该架构的另一个关键设计步骤是选择RPRECHARGE，如果电阻选择不合理，将会直接影响系统工作。预充电阻的选择必须权衡预充电流和浪涌电流。所以，交错式引脚方案需要一个特殊的连接器，这在行业中也是难以接受的。

b、热敏电阻法

另一种实施方案是热敏电阻热插拔控制法。热敏电阻为电子元件，阻值在温度变化时将发生显著变化(电阻是温度的函数)。根据温度变化进行系统调节的电路应用非常普遍。负温度系数(NTC)热敏电阻的电流-时间特性取决于其温度特性，在其应用电路中的功率耗散很稳定。电流-时间特性可以抑制短暂的高压尖峰以及初始浪涌电流。如图所示为基于热敏电阻的热插拔限流电路，配合一个外部MOSFET使用。

基于热敏电阻的热插拔电路

此方案需要考虑作用在热敏电阻上的瞬态峰值功率。设计人员必须考虑电路板环境温度的变化(覆铜面积和气流)以及热敏电阻自身的因素，如果超出其额定电流或电压，则会导致器件损坏。

对于热敏电阻方案需要考虑几个因素，例如，在电信系统中，一旦系统交付运营商使用，将不允许更改或重新设计板卡。由此，热敏电阻可能会引发长期可靠性问题，设计人员必须考虑负温度系数(NTC)的反作用时间。另外一个关键问题是，当板卡反复插入或拔出背板时，热敏电阻可能没有足够的时间冷却，从而在随后的带电插入事件中不能有效地限制浪涌电流。最后，热敏电阻的特性参数会随时间变化，这将导致系统的抗冲击能力下降。

总而言之，该方案在需要根据温度变化进行调整的系统中能够提供良好特性，限制浪涌电流。但是，热敏电阻的热插拔控制器不能满足系统长期可靠性的需求。

c、单芯片热插拔控制器

事实上，抑制浪涌电流最好的解决方案是采用完全集成的单芯片热插拔控制器，利用一个电路限制插入板卡的浪涌电流、提供过流和负载瞬变保护、降低系统失效点，工程师可以严格控制热插拔保护板卡的长期可靠性。市场上可以找到高度集成的热插拔控制IC，有些控制器IC不需要外接检流电阻。许多IC可以简单、高效地实现热插拔保护功能，例如，在单一芯片内支持下列功能：欠压（UV）和过压（OV）保护；过载时利用恒流源实现有源电流限制；电源电压跌落之前断开故障负载；利用外部驱动FET构成“理想二极管”提供反向电流保护；多电压排序；发生负载故障后自动重试。

新一代热插拔IC集成了全面的模拟和数字功能，例如：板卡插入并完全上电后，可连续监测电源电流。连续监测功能可以在板卡正常工作期间继续提供短路和过流保护，还可以帮助识别故障板卡，在系统完全失效或意外关闭之前撤掉故障板卡。

热插拔控制器对于那些始终保持运行状态的系统是不可或缺的保护电路。发生带电插拔事件后，跟踪浪涌电流引起的PCB故障也是非常棘手的设计任务。利用那些拼凑起来的热插拔方案解决故障问题或者只是很好地解决了其中部分问题，对于系统的长期稳定性而言存在一定隐患，也是工程师无法预测的。

目前，高度集成的热插拔方案能够确保系统在带电插拔的操作中不会引起数据传输错误或导致系统已插入板卡的复位。这种方案对于保持系统的长期可靠性很有帮助。

5、数字热插拔芯片

（1）热插拔芯片的理念

热插拔芯片基本上是一个开关：

1）单板电源开关

2）主要防止浪涌电流产生

3）监控后续电流，一旦故障立即关闭系统

（2）典型应用框图

热插拔数字芯片典型应用框图如图所示。