避免拼凑并实施更有效的解决方案

本应用笔记讨论了热插拔在高可用性系统中的重要作用和最佳电路。它使用电信系统作为插入中板或背板的基于嵌入式微处理器的卡集合的示例。这些系统被归类为“高可用性”系统，不应因服务或维修而断电。本文定义了术语“5-NINEs 可用性”，这意味着几乎零停机时间。只有在不关闭整个系统电源的情况下通过热插拔卡来维修卡时，才能实现这种可用性级别。本文随后介绍了热插拔电路。它展示了一些拼凑的热插拔方法，并解释了这些方法的缺陷。本文最后讨论了更新、集成度更高的热插拔控制器，这些控制器克服了先前设计中的问题。

介绍

与许多其他复杂的多卡系统一样，电信系统是插入中板或背板的基于嵌入式微处理器的卡的集合。它们被归类为“高可用性”系统，包括专用交换机 （PBX）、蜂窝基站收发器 （BTS）、刀片中心电信 （BCT） 服务器、网络数据通信和存储系统。一旦启动并运行，这些系统就不应该因维修或维修而断电。

术语“5-NINEs 可用性”通常用于描述这些系统。这意味着 99.999% 的可用性，这意味着停机时间几乎为零。只有在不关闭整个系统电源的情况下通过热插拔卡来维修卡时，才能实现这种可用性级别。然后，必须能够在不干扰系统其余部分的情况下即时修复、升级、配置甚至有时扩展系统。

本文讨论了板级设计工程师目前在设计热插拔电路时使用的一些拼凑解决方案。下面将讨论一些新一代创新的热插拔解决方案。术语“热插拔”的定义将强调电压瞬变。将展示规避做得不好（拼凑）热插拔的不利影响的解决方案。讨论以热插拔技术的最新创新结束。

热插拔事件：了解瞬态

图1.基于多PCB机箱的系统。

热插拔事件：插入或取出卡时的峰值浪涌电流

热插拔是指在不先断开系统电源的情况下，将卡、电缆和其他物品插入或取出完全可操作的带电系统。正确进行卡热插拔不应引起电源或系统输入和输出信号的任何干扰。

当基于机箱的完全运行系统的所有插件卡都在机箱中时（图1），这些卡全部通电。这意味着每张卡的所有大电容和旁路电容都已完全充电。电源输入端的大容量电容器允许电源设计人员完成两项重要任务：为卡上的下游稳压器提供良好的电能质量，并补充较小的分布式旁路电容器，以满足负载的瞬态需求。

当另一张从架子上不充电的卡插入带电背板时，可能会发生几件事。请参阅图 2。新插入和供电的PCB的旁路和滤波器存储大容量电容器就像短路一样快速开始充电。其中一些电荷来自带电系统，电容器C1，C2和C3。（因此，其他卡中已经充电的电容器将全部放电）。先前插入的卡上的电容器的这种不受控制的充电（或放电）会在新卡的大容量电容器中产生较大的浪涌电流。根据系统的不同，浪涌电流可以在很短的时间内达到数百安培的幅度。

当电容器快速充电时，它们显示为短路并瞬间消耗大量电流。图3显示了流入大容量电解电容器的浪涌电流以及电容器充电时两端的电压曲线。如图所示，峰值电流达到9.44A。对系统产生大量需求，这可能导致机箱系统的电容器放电。这会导致电压下降，可能导致相邻卡复位，从而可能导致传输数据错误或其他系统故障。

瞬时浪涌电流的大小是负载（早期功率）电容的函数。负载的电容越大（ESL和ESR越低），峰值浪涌电流就越高。

图2.电路板插入顺序和上电时的浪涌电流。

图3.该图显示了进入大容量电解电容器的浪涌电流以及电容器充电时两端的电压。

电压瞬变对系统的影响可能是灾难性的

与任何系统一样，这些基于机箱的系统中的电源是电流限制的。热插拔事件期间发生的电压瞬变会对已插入机箱的卡产生很大影响。浪涌现象可能导致机箱电源轨严重崩溃、背板电源总线电压下降和/或电源故障，从而无意中导致系统复位。这种不受限制的电流浪涌还可能对组件造成物理损坏：卡的旁路和大容量电容器、印刷电路板 （PCB） 走线、背板连接器引脚和/或保险丝熔断（这可能是一个主要麻烦）。

通常，背板的电源总线会下降，这会导致电源扰动或插入系统的卡出现电源毛刺。相邻的卡也可能遇到不必要的重置，或者卡之间背板上的通信信号可能会受到影响（例如，引起位错误）。背板通常使用差分总线（LVDS/LVPECL/光纤通道/其他），必须满足某些信令规范以确保适当的信令性能。热插拔事件会在V上引入电压变化，从而影响其共模噪声规格抄送和接地层。考虑到热插拔事件的潜在有害影响，实现良好的热插拔电路必须确保热插拔不会在背板上产生足够大的噪声，从而导致这些总线上承载的数据出错。

设计人员最常忽略的另一个问题是系统的长期可靠性。设计不良的热插拔保护电路会导致组件因每次感应热插拔事件而缓慢承受压力。从本质上讲，每次发生热插拔事件时，其效果类似于试图将键合线从封装中的硅中“拉出”（以分离）。随着时间的推移，这种反复的压力会导致灾难性的故障。这种现象的最佳补救措施是控制热插拔卡上的峰值电流和浪涌电流。

拼凑浪涌控制实现

有几种已知的方法可以实现浪涌峰值电流的控制解决方案。一些方法基于合理的工程分析，而另一些方法则是一种设计不佳的方法，可以减轻系统中热插拔的影响。后面这些方法在下面描述为拼凑实现。

预充电器引脚或“早期电源”（即电阻方法）

在应用中实现浪涌电流控制的一种方法是使用“交错引脚”方法，也称为“早期功率引脚”、“预充电电压”或“预引线”引脚。交错针脚实现提供了一种物理方法，可确保新卡正确就位并及时进行连接。这种浪涌电流控制方案还可以与电阻器结合使用，以限制热插拔事件期间的电流。

预充电引脚解决方案是最基本的热插拔解决方案之一，它实现了具有长短电源引脚组合的连接器。请参阅图 4。长电源引脚首先配接，然后通过串联电阻器R 开始为新卡的滤波器和大容量电容器充电预充电.R预充电限制消耗的电流。在卡插过程接近尾声时，短功率引脚配接，绕过 R预充电连接到较长的引脚，并创建用于为卡供电的低阻抗路径。信号引脚通常最后配接以完成就位过程。

图4.智能连接器支持热插拔功能。

在这种情况下，保护装置是一个电阻器RPRECHARGE，它通过将浪涌电流限制在不损坏引脚或干扰相邻卡上的电压轨的水平来保护卡。一些工程师在此基本实现中增加了一个电感和/或二极管接地。

本文将预充电引脚方法视为一种“拼凑”的热插拔解决方案，因为大容量输入滤波电容的充电速率仍然无法控制。此方案有两个主要问题：短针脚相对于长针脚长度的变化，以及服务技术人员将卡插入系统的快与慢。归根结底，这是一个机械解决方案;由于连接器的机械公差，相同标称长度的引脚不一定在同一时间接触。这就是为什么用户可以体验上述变化的原因。而且，如果短电源引脚长一点，并且PCB插入机箱的时间非常快，则R预充电可以在大容量输入电容充满电之前短路。这种情况是相当合理的，因此部分否定了控制浪涌电流的尝试。

另一个重要步骤是调整RPRECHARGE的大小。这不是一件容易的事，如果电阻器指定不正确，可能会影响系统。该预充电电阻的值必须调整为均衡预充电和主浪涌电流。

最后，交错引脚实现需要一个专门的连接器，这在历史上成本过高。

从上述论点可以看出，预充电引脚方案的缺点非常重要。它非常有限，难以以可靠的精度水平实现。它不会在启动时调节电流，也不会提供输出过压 （OV） 和欠压 （UV） 监控。

热敏电阻（电流特性）方法

另一种热插拔实现方案是热敏电阻热插拔方法。热敏电阻是一种电子元件，其电阻随其温度的变化而显着变化（即电阻随热的变化而变化）。它通常用于需要温度相关调节的电路。负温度系数（NTC）热敏电阻的电流-时间特性取决于其热容、耗散常数和使用电路。该电流-时间特性可用于区分短时间的高压尖峰和初始电流浪涌。图5所示为基于热敏电阻的热插拔限流电路，内置外部MOSFET¹。

图5.基于热敏电阻的热插拔电路实现。

采用基于热敏电阻的方法时，必须适当考虑施加到热敏电阻的峰值瞬时功率。设计人员必须考虑电路板的环境温度变化（铜面积和气流），以及如果超过其电压和/或电流额定值，热敏电阻器件本身可能会损坏的事实。

这种热敏电阻方法有几个令人不安的问题。例如，在电信行业，在系统首次发布给电信运营商后，预计不会重新设计卡。因此，热敏电阻会导致长期可靠性问题。还必须考虑负温度系数（NTC）的反应时间。如果反复将卡插入机箱并从机箱中取出，则会出现另一个密切相关的问题。热敏电阻很可能不会冷却到足以在下一次插入事件时有效限制浪涌电流。最后，热敏电阻的特性很可能会随着时间的推移而改变，从而使系统变得脆弱。

总之，虽然这种方法可以在温度相关的应用（例如LCD偏置电源）中做得很好，并且可以限制峰值浪涌电流，但基于热敏电阻的热插拔电路并不能提供可靠、长期热插拔实现所需的扩展优势。

分立式热插拔电路

实现浪涌电流控制的另一种方法是使用多个分立元件。（诚然，许多设计师可能不认为这是一个拼凑的解决方案。通常，故障保护、断路器和电流控制功能都在具有独立功率MOSFET、功率检测电阻和其他分立偏置元件的独立电路中完成。这些分立式热插拔电路不仅复杂且难以调试（仅此一项就增加了设计和验证时间），而且还可能具有更高的成本并需要更多的PCB空间。

分立式热插拔电路的重要问题是无源分立元件的寄生元件的影响。对于设计师来说，这是一个至关重要的考虑因素。这些电路使用电阻和电容来控制上升和下降时间、电压和电流以及其他检测条件。该系统的设计者的任务是特别注意寄生元件如何影响电路的工作条件。

在评估了上述三种拼凑在一起的热插拔实现方法之后，仍然有更好的方法。事实上，确保设计长期保护和可靠性的最佳方法是使用嵌入到单个单片芯片中的完整集成热插拔解决方案。下一节将讨论一些业界最具创新性的热插拔方案，包括MAX5961热插拔控制器。

真正的浪涌峰值电流控制

更高的集成度

工程师可以使用一种电路来限制插入卡的浪涌电流，防止过流情况和负载瞬变，并保持减少故障点的数量，从而对热插拔嵌入式卡的长期可靠性产生积极影响。市场上有集成度更高的热插拔控制器IC;某些控制器 IC 不再需要检测电阻。许多其他IC已经使实现热插拔电路成为一项简单且非常有效的任务。例如，可以找到单个部件支持的以下功能：紫外线和OV保护;过载期间使用恒流源进行有源电流限制;故障负载在电源压降前断开的电子断路器;反向电流保护，带有额外的驱动FET，以提供“理想二极管”;多电压排序;数字电压和电流监控;并在负载故障后自动重试。

一些模拟半导体供应商推出了各种各样的热插拔解决方案，以满足大量的系统要求。最新一代热插拔IC提供多种模拟和数字功能，例如能够在卡就位并上电后长时间持续监控电源电流。此监控功能可确保卡在正常运行期间持续受到短路和过流情况的保护。持续监控还允许在故障卡完全失效并导致停机之前快速识别并从系统中移除。

集成式ADC的重要性

模拟、ADI和凌力尔特具有热插拔解决方案，具有数字故障和统计数据（或飞行）记录功能。最近的一个新术语“数字热插拔”IC是指集成高性能ADC进行电压和电流监控的热插拔解决方案。表1比较了这些供应商提供的热插拔IC的一些关键规格。MAX5967不在表中，但与LTC4215引脚和功能兼容。®

	LTC4215	ADM1175	MAX5961	MAX5970
模数转换器分辨率（位）	2	12	10	10
转换速率（赫兹）	10	未指定	10k	10k
自动还是轮询？	自动	调查	自动	自动
历史“深度”	1 个样品	1 个样品	50 个样品	50 个样品
国际禁毒局	0.2 低位/双振， 0.5 零升/平方英寸	未指定	0.5 LSB	0.5 LSB
满量程误差（电压、电流）	±5.5 LSB， ±5.0 LSB	±60.0 LSB， ±100.0 LSB	±10 LSB， ±30.0 LSB	±10 LSB， ±30.0 LSB
接口	I²C/SMBus™	I²C	I²C/SMBus	I²C/SMBus
高速电压（最小值、最大值）	2.9V， 15V	3.15V， 13.2V	0V， 16V	0V， 16V
栅极上拉电流 （μA）	20	12	5	5
栅极下拉电流，正常 （mA）	1	2	500	500
慢跳闸断路器阈值 （mV）	25	85	12.5、25、50（和 8 位可编程）	12.5、25、50（和 8 位可编程）
快速跳闸断路器阈值	—	115mV	125%、150%、175%、200%编程慢速跳闸	125%、150%、175%、200%编程慢速跳闸
负载紫外线防护	模拟	—	各 2 个，10 位可编程	各 2 个，10 位可编程
负载过压保护	—	—	各 2 个，10 位可编程	各 2 个，10 位可编程

这些器件中的嵌入式ADC使热插拔控制器IC具有扩展的能力，可以在故障发生时监控和报告电源状态和其他生命体征。MAX5961还可以存储几毫秒的过去电压和电流测量值。此数据可用于简化以后的系统调试和故障分析。

集成的ADC也为OEM厂商创造了提高产品创意的机会。人们可以观察到高级董事会管理的增值功能有所增加：

信息收集：设计人员可以使用今天收集的系统重要数据来构建效率优化的下一代系统。

持续监控：在这些高可用性系统的正常运行期间，可能希望通过持续监控电源温度水平来记录卡功率水平的某些“重要统计数据”。这可以在以后用于“预测某些特定故障”。

功率预算：通过读取过去和当前的故障条件，可以确保没有嵌入式卡使用超过其总功率预算的份额。这种监控将有助于及早识别异常操作条件，并有助于减轻或消除对系统其余部分的任何影响。

I²C链路连接到系统微处理器

控制器的I²C接口由卡的微处理器用于收集上述重要统计数据。通过此接口，控制器配置为连续运行、闭锁或重新启动;这是系统管理固件在早期识别问题卡的方式。此接口实质上是机箱对服务技术人员的警告显示。它的功能很像汽车仪表板上看到的快速服务引擎灯。

结论

高可用性系统中的热插拔PC板是不可避免的。尽管如此，追踪插入事件后由浪涌电流引起的 PC 板故障是一项非常具有挑战性的任务。了解故障，或者最好是防止故障，对于任何拼凑的热插拔解决方案来说都是复杂的，这些解决方案不可避免地会对系统的长期性能产生比工程师想象的更大的负面影响。

当今高度集成的热插拔解决方案将确保系统中的热插拔事件不会导致数据传输错误或重置系统中已有的卡。这些解决方案将有助于维持系统的长期可靠性。最后，目标就是达到并超越 5-NINE。

审核编辑：郭婷