工程技术基础热插拔知识详解及案例分析教材.docx

1、工程技术基础热插拔知识详解及案例分析教材目录 第一章 热插拔概述 21.1历史 21.2热插拔常见问题 2第二章 热插拔导致的闩锁效应及其防治 42.1闩锁效应及其机理 42.2闩锁的产生条件 62.3闩锁的常见诱发原因 62.4热插拔诱发闩锁的原因分析 62.5闩锁的预防措施 7第三章 热插拔导致的静电问题及其防治 83.1静电产生 83.2静电放电失效机理 9第四章 热插拔导致的浪涌问题及其防治 114.1浪涌说明 114.1.1概念 114.1.2产生原因 114.1.3影响 124.2浪涌防治 134.2.1交错引脚法 134.2.2热敏电阻法 144.2.3单芯片热插拔控制器 15第

2、五章 总线热插拔 175.1 I2C总线热插拔 175.2 I2C总线热插拔案例 185.3 74LVT16245在总线热插拔中应用 195.5扩展知识 CompactPCI总线热插拔 21第六章 热插拔最新解决方案-数字热插拔芯片 246.1热插拔芯片的理念 246.2典型应用框图 24 第一章 热插拔概述1.1历史热插拔（hot-plugging或Hot Swap）即带电插拔 ，是指将设备板卡或模块等带电接入或移出正在工作的系统，而不影响系统工作的技术。一方面，在军事、电信、金融等领域，设备投入运行后，必须夜以继日的运转，对这些设备的部件进行拆装维修、维护、扩展时，系统不能停机，停机则意味

3、则重大的经济损失。这就要求设备部件能够在系统带电运行的情况下进行接入或者移出。另一方面，对连接到总线上的设备，对单个设备进行插入或者拔出的时候，不能对总线产生较大干扰，否则会在总线上产生较大的噪声，引起总线上其他设备的停机或者误码产生，影响整条总线业务。热插拔技术正是在这种需求下应运而生。民用热插拔技术开始于PC机的开发中，从586时代开始，系统总线都增加了外部总线的扩展，此时的系统总线已经初步满足的热插拔的要求1997年开始，新的BIOS中增加了即插即用功能的支持，虽然这种即插即用的支持并不代表完全的热插拔支持，仅支持热添加和热替换。至今PC机的多数外设均以推出了支持热插拔的产品。1.2热插

4、拔常见问题在以前，我们使用电脑或者其他电子设备时，总会受到警告：不能带电插拔，如果我们带电插拔，轻则造成系统死机或者重启，重则造成接口电路硬件损坏，造成巨大损失。这是什么原因呢，对不支持热插拔的系统，带电插拔为什么会造成如此严重的后果？ 热插拔引发闩锁效应：热插拔前设备之间可能存在较高电位差，如果不采取相应措施这种电位差将对设备上的IC 芯片构成严重危害，尤其是CMOS器件，有可能引发闩锁效应。 热插拔诱发静电问题：虽然冷插拔过程中也有静电问题，但是由于热插拔时一部分电路是处于上电工作状态，因此热插拔时的静电干扰会引发诸如“闩锁效应”之类恶性故障，除此之外，热插拔对于稳定工作的背板设备的静电干

5、扰使得本来在设备内部的背板连接器变成了被静电直接击中的外部接口。 热插拔导致浪涌问题：当单板插入机框时，机框中其他设备已处于稳定工作状态所，所有储能电容均被充满电，而单板上的电容没有电荷，当设备与主板接触时设备上的电容充电将在短时间内从电源系统吸入大量电能，在供电线路上形成一股比正常工作电流高出数倍的浪涌电流。浪涌电流会使电源出现瞬时跌落导致系统复位、引发闩锁效应、导致连接器电路板金属连线和电路元件烧坏。 热插拔对总线造成干扰：总线上插入板卡时，由于新插入板卡电容的充电以及上电过程中一些低阻抗通道的存在，会产生极大的浪涌电流，拉低总线电平，对总线上其他设备产生干扰，影响总线上其他设备的正常运行

6、。同时插拔时也对总线接口带来静电问题。第二章 热插拔导致的闩锁效应及其防治2.1闩锁效应及其机理 定义：闩锁（Latch up） 是指CMOS器件所固有的寄生双极晶体管被触发导通，在电源和地之间形成一个低阻通路。 故障现象：CMOS芯片的电源和地之间大电流通过，导致芯片自身烧毁失效，严重时会波及周围的电路和易燃器件（如：钽电容）。 内部机理：见图2-1图2-1 闩锁内部机理示意图如图2-1所示，CMOS发生闩锁效应时，其中的NMOS的有源区、P衬底、N阱、PMOS的有源区构成一个n-p-n-p的结构，即寄生晶体管，本质是寄生的两个双极晶体管的连接。P衬是NPN的基极，也是PNP的集电极，也就是

7、NPN的基极和PNP的集电极是连着的；N阱既是PNP的基极，也是NPN的集电极。再因为P衬底和N阱带有一定的电阻，分别用R1和R2来表示。当N阱或者衬底上的电流足够大，使得R1或R2上的压降为0.7V，就会是Q1或者Q2开启。例如Q1开启，它会提供足够大的电流给R2，使得R2上的压降也达到0.7V，这样R2也会开启，同时，又反馈电流提供给Q1，形成恶性循环，最后导致大部分的电流从VDD直接通过寄生晶体管到GND，而不是通过MOSFET的沟道，这样栅压就不能控制电流。闩锁机理的集总器件表述：元器件中的寄生晶体管连接关系可以用集总元件来表示，如图2-2所示，其结构实际上是一个双端PNPN结结构，如

8、果再加上控制栅极 ，就组成门极触发的闸流管。该结构具有如图3所示的负阻特性，该现象就称为闩锁效应（闩锁本是闸流管的专有名词）。即双端PNPN结在正向偏置条件下，器件开始处于正向阻断状态，当电压达到转折电压时，器件会经过负阻区由阻断状态进入导通状态这种状态的转换，可以由电压触发(=0)，也可以由门极电流触发(O)。门极触发大大降低了正向转折电压。图2 -2PNPN双端器件从上图可以推导出如下的关系其中， 分别是PNP和NPN共基极增益，是集电极饱和电流。对上式进行调整，得到如下关系：其中 在低阻抗时，可以忽略，另，在一般情况下，可以发现或者其中代表在阻止闩锁上起的作用， =1表示所有的发射极电流

9、都绕过电阻，也就是没有闩锁效应发生。在有载流子产生的情况下，在（2）式右边添加上。两个寄生晶体管工作时，形成正反馈电路，加深可控硅导通，造成的结果在器件级的描述一样，一股大的电流将由电源流向接地端，导致一般正常电路工作中断，甚至会由于高电流散热的问题而烧毁芯片2.2闩锁的产生条件 存在正反馈：寄生双极极晶体管回路电流增益必须大于1。12.1 外触发条件：一个维持足够长时间的外部电流，使双极型晶体管导通起来。 电流供应能力：外电路能持续提供维持闩锁所必须的电流。2.3闩锁的常见诱发原因 输入/输出脚电压：高电平比芯片电源还高，低电平比芯片地还低，这是最常见的诱发原因。 电源端异常的浪涌电压或噪声

10、干扰， 地线引入异常干扰电压。2.4热插拔诱发闩锁的原因分析 通讯管脚先于电源管脚接通导致CMOS器件的输入/输出脚电压高于电源电压或低于地电压。 板卡插入瞬间由于电容充电电流，导致背板电源异常波动，引发器件闩锁。 单板插入时板上静电放电导致的闩锁 板卡拔出瞬间由于电感的感生电压导致背板CMOS器件闩锁。2.5闩锁的预防措施 电路接口部分采用防护措施：防止触发信号的引入： COMS器件输入/输出端加限流电阻 小功耗器件电源线上串限流电阻 防止电源/地线电压波动 避免大电容负载：第三章 热插拔导致的静电问题及其防治3.1静电产生物质都是由分子构成，分子是由原子构成，原子由带负电荷的电子和带正电荷

11、的质子构成。在正常状况下，一个原子的质子数与电子数量相同，正负平衡，所以对外表现出不带电的现象。但是电子环绕于原子核周围，一经外力即脱离轨道，离开原来的原子A而侵入其他的原子B，A原子因减少电子数而带有正电现象，称为阳离子;B原子因增加电子数而呈带负电现象，称为阴离子。造成不平衡电子分布的原因即是电子受外力而脱离轨道，这个外力包含各种能量(如动能、位能、热能、化学能等)在日常生活中，任何两个不同材质的物体接触后再分离，即可产生静电。当两个不同的物体相互接触时就会使得一个物体失去一些电荷如电子转移到另一个物体使其带正电，而另一个物体得到一些剩余电子的物体而带负电。 若在分离的过程中电荷难以中和，

12、电荷就会积累使物体带上静电。所以物体与其它物体接触后分离就会带上静电。通常在从一个物体上剥离一张塑料薄膜时就是一种典型的“接触分离”起电，在日常生活中脱衣服产生的静电也是“接触分离”起电。固体、液体甚至气体都会因接触分离而带上静电。这是因为气体也是由分子、原子组成，当空气流动时分子、原子也会发生“接触分离”而起电。我们都知道摩擦起电而很少听说接触起电。实质上摩擦起电是一种接触又分离的造成正负电荷不平衡的过程。摩擦是一个不断接触与分离的过程。因此摩擦起电实质上是接触分离起电。在日常生活，各类物体都可能由于移动或摩擦而产生静电。另一种常见的起电是感应起电。当带电物体接近不带电物体时会在不带电的导体

13、的两端分别感应出负电和正电。两个具有不同静电电位的物体，由于直接接触或静电场感应引起两个物体间的静电电荷转移称为静电放电。如果带电体是通过电子元器件来放电，就会给元器件带来损伤，导致器件失效。如上所述我们可以明确两点：1） 静电无处不在，只要是绝缘体机就有可能带静电（比如我们常用的透明自封袋通常带有5002000V静电。2） 静电会带来设备故障，器件损伤，必须要重视。3.2静电放电失效机理ESD的典型失效包括：热二次击穿金属化层的熔融体击穿介质击穿气体的电弧放电表面击穿热插拔过程中的静电问题正如静电定义中描述的两个不同材质的物体只要有接触，就有静电产生的可能。热插拔中至少首先存在三个物体，人体

14、、热插拔单板、机箱背板，因此在热插拔中静电问题很容易出现。下面举两个最常见的例子1） 人体本身带有静电，而机箱已经接地，热插拔瞬间人体静电电荷将经热插拔单板对机箱背部放电。2） 机箱背板带有静电电荷，人体也带有静电电荷，热插拔瞬间人体静电电荷与机箱静电电荷在热插拔系统中发生电荷重新分布的放电过程。通过这这些例子，我们分析发现，两个问题。第一由于热插拔功能，原来不太需要关注静电问题的机箱背板接口（内部接口），成为必须讨论静电问题的接口。也就是说，背板接口的设计中防静电设计是需要的，而背板通常存在着接口管脚数量多，功能复杂，器件防静电能力低的问题。因此在背板接口部分增加防静电设计将明显加大单板设计

15、难度和单板成本。第二如果人体和机箱已及热插拔单板能够良好接地，热插拔中静电问题完成可以避免。这个假设非常有意义，因为它成功的避开了第一条提到的单板设计难度和单板成本增加，只需要给机箱加上一个防静电手链，然后在说明书中明确要求热插拔操作时，操作员必须带防静电手链即可。但这只是个假设，如果客户热插拔时没带防静电手链，并引发单板的静电损伤，我们能如何哪？只能说服教育+免费维修。因此如果希望从通过给接地解决热插拔中的静电问题，我们还需要有其他手段。 这里总结一下针对热插拔引发的静电问题的对策1） 背板接口要做放电的设计，信号接口、电源接口添加防静电器件（如TVS管）是备选方案。2） 机箱结构设计和单板

16、设计上添加预接地设计，使得热插拔发生前单板已经与机箱接地是非常必要的。第四章 热插拔导致的浪涌问题及其防治4.1浪涌说明第1章 第2章 第3章 第4章 4.1 4.1.1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

17、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。4.1.2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： 图4-1 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。4.1.3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。图4

18、-2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。图4-2 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

19、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。4.2浪涌防治4.2 4.2.1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

20、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4-3所示。图43 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

21、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。4.2.2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

22、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。图4-4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。 图4-4 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

23、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。4.2.3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

24、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，

25、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。第五章 总线热插拔在实际运用中，总线上插入板卡时，由于新插入板卡电容的充电以及上电过程中一些低阻抗通道的存在，会产生极大的浪涌电流，拉低总线电

26、平，对总线上其他设备产生干扰，影响总线上其他设备的正常运行。同时插拔时也对总线接口带来静电问题。所以，对总线进行热插拔时，必须采取一些措施对子卡上电进行控制，限制浪涌电流，同时也要提供一定的静电泄放通道。下面对几种总线热插拔技术进行讨论。5.1 I2C总线热插拔I2C总线是 Philips公司推出的串行总线标准，由数据线SDA和时钟线SCL构成，可发送和接收数据。 I2C总线上扩展的外围器件及外设接口通过总线寻址，是具备总线仲裁和高低速设备同步等功能的高性能多主机总线。运用举例如图5-1所示。图5-1 I2C总线运用举例由图中可以看出，I2C总线上外挂了许多设备，当我们插入或者拔出某一个I2C

27、设备时，不应该对其他设备造成影响，具体表现为：1、不能产生浪涌电流，影响总线信号。2、要有静电防护能力，消除插拔产生的静电影响。I2C总线上设备要支持热插拔，最常用的方法是采用支持I2C热插拔的总线缓冲驱动器，Philips公司的PCA9510APCA9514A都支持I2C总线热插拔，总体原理差不多，具体性能上有点差异， PCA9511A，在系统中的运用如图5-2所示。图5-2 PCA9511A运用实例PCA9511A实现I2C热插拔的原理分析如下：如上图所示，PCA9511A的2、7引脚接从设备，3、6引脚接主设备。当系统上电过程中，SDA和SCL都保持高阻状态，并且由于2（ENABLE）引

28、脚处于低电平状态，所以SDAIN与SDAOUT之间是断开的，SCLIN和SCLOUT之间也一样是断开的。当上电过程完成后，ENABLE管脚由低电平变为高电平了，进入初始化状态，内部的预充电功能开始执行，当初始化进入尾声的时候，停止命令和总线空闲状态检测功能开始执行，ENABLE有效的时间足够长后，所有的SDA和SCL管脚都进入了高电平状态，这时候如果在SDAIN和SCLIN总线上检测到停止命令或者检测到空闲信号，则SCLIN和SCLOUT连接，同样的SDAIN和SDAOUT也连接，并且IN信号和OUT信号之间通过双向缓冲器对内部电容和外部电容进行隔离。经过以上处理过程，基本上消除了I2C热插拔

29、时总线的浪涌电流。同时，PCA9511A具有一定的静电放电保护，其中人体模型大于 2000V，机器模型大于150V，充电器件模型大于1000V。所以PCA9511A一定程度上解决了热插拔过程中的静电泄放问题。5.2 I2C总线热插拔案例现象描述：多槽设备，子卡和背板设备MCU均为LPC2103，子卡与背板设备之间通过I2C总线通信，示意图如下5-3所示。图5-3 I2C总线连接示意图当某个槽位空闲而其他槽位子卡在位工作时，空闲槽位插入子卡，则正常工作的槽位将通讯失败，经查，是由于插入子卡的瞬间，由于浪涌大电流拉死了背板I2C总线，导致I2C总线上其他正在运行的设备无法正常工作。原因及解决办法：

30、较早设计的设备，没有进行I2C热插拔设计，导致热插拔I2C总线上某个设备时对其他设备产生干扰，影响正常工作。后续设计I2C总线板卡，需进行热插拔设计。5.3 74LVT16245在总线热插拔中应用图5-4为通过总线连接到一起的板卡，Card1工作时，将接口总线被驱动为高电平（CMOS的上管导通），此时插入Card2，由于Card2的Vcc上电需要一定的时间，导致使能信号和输入端信号都为低电平，因此Card将驱动输出端口为低电平（CMOS的下管导通），从而在Card1和Card2之间出现了一条低阻抗的电流通路，两个接口器件都存在被损坏的可能。图5-4 总线连接设备上电示意图子卡与背板之间通过总线

31、通信的，比如PCI总线、telecomBus总线、UART总线等，一般采用逻辑器件来现在热插拔处理，74LVT16245就是我们最常用的芯片。74LVT16245对总线热插拔的解决方法是使接口器件在Vcc上电完成之前，输出端口保持高阻而不对任何输入信号作出响应，这种解决方法称为上电三态（PU3S ：Power up 3 state），上电三态的内部结构如图5-5所示。图5-5上电三态内部结构图PU3S内部包含一个如上图所示的结构，PU3S输出低电平时，器件输出端呈现高阻状态，只有在PU3S输出高电平时，输出端才能对输入端的信号做出正确的响应。PU3S结构中，R1和R2构成分压电路，使M1管只有在Vcc的电平超过阈值后才能导通，因此在Vcc上电的过程中，节点2保持为高电平，驱动PU3S输出低电平，Vcc上电完成后，M1导通，节点2变为低电平，驱动PU3S输出高电平，器件输出端开始正常工作。74LVT16245是一款高性能16位三态缓冲总线收发器，工作电压为3.3V，74LVT16245有输出使能管脚，能够控制总线之间的有效隔离，还有一个方向控制管脚，可以控制输入和输出的方向，