引言
與其它復(fù)雜的多卡系統(tǒng)類似，電信系統(tǒng)是由插入背板的微處理器板卡系統(tǒng)的集合。這類“始終保持有效運(yùn)轉(zhuǎn)”的系統(tǒng)通常包括：專用交換機(jī)(PBX)、蜂窩基站(BTS)、刀片式中心(BCT)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信和存儲(chǔ)系統(tǒng)。系統(tǒng)一旦上電運(yùn)行，將不允許斷電中止服務(wù)或進(jìn)行維護(hù)。
通常用“5個(gè)9”描述這些系統(tǒng)，即99.999%地保持有效運(yùn)轉(zhuǎn)，這意味著幾乎為零的關(guān)斷時(shí)間。對(duì)于工作在這一級(jí)別的系統(tǒng)，必須允許在保持整個(gè)系統(tǒng)工作的狀態(tài)下插入或拔出板卡，以便對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)、升級(jí)和配置，有時(shí)甚至是在不影響系統(tǒng)工作的狀態(tài)下進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展。
本文討論了板級(jí)工程師目前在設(shè)計(jì)熱插拔電路時(shí)所采取的一些拼湊式方案，并在隨后探討了幾種新一代熱插拔控制的創(chuàng)新方案。“熱插拔”定義中重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了電壓瞬變，文中介紹了拼湊式熱插拔控制方案的一些負(fù)面影響。文章最后介紹了近期推出的熱插拔控制創(chuàng)新技術(shù)。
熱插拔事件：理解瞬變
圖1. 多PCB基板系統(tǒng)
浪涌電流控制的“拼湊”方案
有幾種已知的峰值浪涌電流控制方式，有些方法基于工程分析，有些方法則僅僅是降低了熱插拔對(duì)系統(tǒng)的影響。下面對(duì)介紹了幾種拼湊式的實(shí)施方案。
預(yù)充電引腳或“早供電”(例如：電阻法)
一種控制浪涌電流的方法是使用“交錯(cuò)式引腳”，也稱為“早供電引腳”、“預(yù)充電壓”或者是“預(yù)先加載”引腳。從物理架構(gòu)上引入交錯(cuò)引腳，從而使新板卡正確插入，這種連接方式曾經(jīng)風(fēng)靡一時(shí)。熱插拔過程中，通過串聯(lián)電阻控制浪涌電流。
預(yù)充引腳法是一種最基本的熱插拔控制方案，通過一長(zhǎng)、一短兩個(gè)電源引腳組成，如圖4所示。長(zhǎng)電源引腳首先接觸到電源并通過一個(gè)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(shí)，短電源引腳接入電源，從而旁路連接在長(zhǎng)電源引腳的電阻RPRECHARGE，為板卡供電提供一個(gè)低阻通道。信號(hào)引腳通常在插入板卡的最后時(shí)刻接入。
圖4. 智能連接器提供有效的熱插拔保護(hù)
該方案中，電阻RPRECHARGE是保護(hù)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。有些工程師還會(huì)在此架構(gòu)中對(duì)地增添一個(gè)電感和/或二極管。
本文將預(yù)充引腳法當(dāng)作一種“拼湊式”方案的主要原因是其不能控制濾波電容的充電速率。這種架構(gòu)需要考慮兩個(gè)關(guān)鍵因素：短引腳相對(duì)于長(zhǎng)引腳的線長(zhǎng)，板卡插入系統(tǒng)的快、慢。另外，這是一種機(jī)械方案，考慮到連接器的機(jī)械容差，完全相同的引腳長(zhǎng)度并不能確保接觸時(shí)間精確相同。實(shí)際應(yīng)用中用戶會(huì)看到上述不同變數(shù)。而且，當(dāng)短電源引腳略長(zhǎng)、PCB被快速插入背板時(shí)，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(shí)際存在一定隱患，不能可靠控制浪涌電流。
該架構(gòu)的另一個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)步驟是選擇RPRECHARGE，如果電阻選擇不合理，將會(huì)直接影響系統(tǒng)工作。預(yù)充電阻的選擇必須權(quán)衡預(yù)充電流和浪涌電流。
最后，交錯(cuò)式引腳方案需要一個(gè)特殊的連接器，這在行業(yè)中也是難以接受的。
從上述討論可以看出，預(yù)充引腳架構(gòu)的作用非常有限，也很難達(dá)到精確可靠的水準(zhǔn)。它對(duì)于啟動(dòng)過程中的電流控制毫無(wú)價(jià)值，也不具備輸出過壓(OV)和欠壓(UV)監(jiān)測(cè)功能。
熱敏電阻(電流-時(shí)間特性)法
另一種熱插拔實(shí)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(shí)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(jìn)行系統(tǒng)調(diào)節(jié)的電路應(yīng)用非常普遍。負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻的電流-時(shí)間特性取決于其溫度特性，在其應(yīng)用電路中的功率耗散很穩(wěn)定。電流-時(shí)間特性可以抑制短暫的高壓尖峰以及初始浪涌電流。圖5所示為基于熱敏電阻的熱插拔限流電路，配合一個(gè)外部MOSFET使用¹。
圖5. 基于熱敏電阻的熱插拔電路¹
采用熱敏電阻方案時(shí)，需要考慮作用在熱敏電阻上的瞬態(tài)峰值功率。設(shè)計(jì)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和/或電壓，則會(huì)導(dǎo)致器件損壞。
對(duì)于熱敏電阻方案需要考慮幾個(gè)因素，例如，在電信系統(tǒng)中，一旦系統(tǒng)交付運(yùn)營(yíng)商使用，將不允許更改或重新設(shè)計(jì)板卡。由此，熱敏電阻可能會(huì)引發(fā)長(zhǎng)期可靠性問題，設(shè)計(jì)人員必須考慮負(fù)溫度系數(shù)(NTC)的反作用時(shí)間。另外一個(gè)關(guān)鍵問題是，當(dāng)板卡反復(fù)插入或拔出背板時(shí)，熱敏電阻可能沒有足夠的時(shí)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(huì)隨時(shí)間變化，這將導(dǎo)致系統(tǒng)的抗沖擊能力下降。
總而言之，該方案在需要根據(jù)溫度變化進(jìn)行調(diào)整的系統(tǒng)中能夠提供良好特性(例如，LCD偏置電源)，限制浪涌電流。但是，基于熱敏電阻的熱插拔控制器不能滿足系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠性的需求。
分離式熱插拔電路
實(shí)現(xiàn)浪涌電流控制的另一渠道是利用幾個(gè)分離元件(顯然，多數(shù)工程師不會(huì)考慮拼湊式方案)。通常，利用分離電路配合獨(dú)立的MOSFET、功率檢測(cè)電阻及其它偏置元件實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)、斷路器和電流控制功能。分離式熱插拔電路設(shè)計(jì)非常復(fù)雜，而且很難調(diào)試(增加了設(shè)計(jì)和研發(fā)時(shí)間)，而且成本較高、占用較大的PCB面積。
重要的是，分離方案中，無(wú)源元件的寄生參數(shù)會(huì)對(duì)熱插拔電路造成較大影響。設(shè)計(jì)人員必須嚴(yán)格控制這些因素。電路中，利用電阻和電容控制電源的上升和下降時(shí)間、電流與電流及其它檢測(cè)條件。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須嚴(yán)格關(guān)注寄生參數(shù)對(duì)電路工作狀況的影響。
討論了上述三種拼湊式熱插拔方案后，我們還有更好的選擇。事實(shí)上，最好的解決方案是采用完全集成的單芯片熱插拔控制器，下一節(jié)將討論業(yè)內(nèi)最具創(chuàng)新的熱插拔方案，包括MAX5961熱插拔控制器。
浪涌峰值電流控制
更高集成度
利用一個(gè)電路限制插入板卡的浪涌電流、提供過流和負(fù)載瞬變保護(hù)、降低系統(tǒng)失效點(diǎn)，工程師可以嚴(yán)格控制熱插拔保護(hù)板卡的長(zhǎng)期可靠性。市場(chǎng)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(jiǎn)單、高效地實(shí)現(xiàn)熱插拔保護(hù)功能，例如，在單一芯片內(nèi)支持下列功能：UV和OV保護(hù)；過載時(shí)利用恒流源實(shí)現(xiàn)有源電流限制；電源電壓跌落之前斷開故障負(fù)載；利用外部驅(qū)動(dòng)FET構(gòu)成“理想二極管”提供反向電流保護(hù)；多電壓排序；發(fā)生負(fù)載故障后自動(dòng)重試。
幾家模擬半導(dǎo)體公司已經(jīng)推出了各種方案，滿足不同系統(tǒng)的需求。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(cè)電源電流。連續(xù)監(jiān)測(cè)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(hù)，還可以幫助識(shí)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。
集成ADC的重要性
Maxim、Analog Devices和Linear Technology®均可提供熱插拔方案，器件內(nèi)部提供數(shù)字故障和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)記錄。近期出現(xiàn)的一個(gè)新名詞是“數(shù)字熱插拔”IC，代表集成了電壓和電流監(jiān)測(cè)ADC的熱插拔方案。表1給出了不同供應(yīng)商所提供的熱插拔IC的性能比較，表中未列出MAX5967，該器件的引腳和功能完全兼容于LTC4215。
表1. 數(shù)字熱插拔控制IC對(duì)比
| LTC4215 | ADM1175 | MAX5961 | MAX5970 | |
| ADC Resolution (bits) | 2 | 12 | 10 | 10 |
| Conversion Rate (Hz) | 10 | Not Specified | 10k | 10k |
| Automatic or Polled? | Auto | Polled | Auto | Auto |
| History "Depth" | 1 sample | 1 sample | 50 samples | 50 samples |
| INL | 0.2 LSB, 0.5 LSB | Not Specified | 0.5 LSB | 0.5 LSB |
| Full-Scale Error (voltage, current) | ±5.5 LSB, ±5.0 LSB | ±60.0 LSB, ±100.0 LSB | ±10 LSB, ±30.0 LSB | ±10 LSB, ±30.0 LSB |
| Interface | I²C/SMBus™ | I²C | I²C/SMBus | I²C/SMBus |
| High-Speed Voltage (min, max) | 2.9V, 15V | 3.15V, 13.2V | 0V, 16V | 0V, 16V |
| GATE Pullup Current (µA) | 20 | 12 | 5 | 5 |
| GATE Pulldown Current, Normal (mA) | 1 | 2 | 500 | 500 |
| Slow-Trip Circuit-Breaker Threshold (mV) | 25 | 85 | 12.5, 25, 50 (and 8-bit programmable) | 12.5, 25, 50 (and 8-bit programmable) |
| Fast-Trip Circuit-Breaker Threshold | — | 115mV | 125%, 150%, 175%, 200% of programmed slow trip | 125%, 150%, 175%, 200% of programmed slow trip |
| Load UV Protection | Analog | — | 2 each, 10-bit programmable | 2 each, 10-bit programmable |
| Load OV Protection | — | — | 2 each, 10-bit programmable | 2 each, 10-bit programmable |
熱插拔控制IC中嵌入ADC，有助于擴(kuò)展器件的監(jiān)測(cè)能力并可報(bào)告電源狀態(tài)以及引起故障的一些關(guān)鍵因素。MAX5961還可以存儲(chǔ)幾個(gè)毫秒的電壓、電流測(cè)試數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以用于后續(xù)的故障診斷和分析。
集成ADC還為OEM廠商創(chuàng)造了機(jī)會(huì)，能夠使其產(chǎn)品更具競(jìng)爭(zhēng)力。利用先進(jìn)的電路板管理技術(shù)提供系統(tǒng)增值功能：
- 信息采集：設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)當(dāng)前收集的系統(tǒng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)構(gòu)建下一代系統(tǒng)，優(yōu)化效率。
- 連續(xù)監(jiān)控：對(duì)于這些需要始終保持運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的系統(tǒng)，正常工作期間可能需要連續(xù)監(jiān)測(cè)其供電電源的溫度，以記錄一些對(duì)應(yīng)于功率等級(jí)的“關(guān)鍵統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)”。這些數(shù)據(jù)有助于在今后對(duì)一些故障狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)。
- 功率預(yù)算：通過讀取以往或當(dāng)前故障條件的數(shù)據(jù)，可以判斷是否出現(xiàn)嵌入式板卡的功耗超出了其總功率預(yù)算的份額。這種監(jiān)測(cè)對(duì)于早期識(shí)別不正常的工作條件、減緩甚至消除對(duì)系統(tǒng)其余電路的影響很有幫助。
通過I²C連接系統(tǒng)微處理器
板卡微處理器可以通過熱插拔控制器的I²C接口采集一些關(guān)鍵的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。通過該接口可以配置熱插拔控制器的工作模式，工作在閉鎖或連續(xù)重試狀態(tài)；系統(tǒng)管理固件可以據(jù)此識(shí)別板卡的問題。該接口也是主板向維護(hù)人員發(fā)出報(bào)警信號(hào)的渠道，其作用與汽車儀表盤上的引擎故障指示燈類似。
結(jié)論
熱插拔控制器對(duì)于那些始終保持運(yùn)行狀態(tài)的系統(tǒng)是不可或缺的保護(hù)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(jì)任務(wù)。利用那些拼湊起來(lái)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(duì)于系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性而言存在一定隱患，也是工程師無(wú)法預(yù)測(cè)的。
目前，高度集成的熱插拔方案能夠確保系統(tǒng)在帶電插拔的操作中不會(huì)引起數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤或?qū)е孪到y(tǒng)已插入板卡的復(fù)位。這種方案對(duì)于保持系統(tǒng)的長(zhǎng)期可靠性很有幫助，能夠滿足、甚至優(yōu)于“5個(gè)9”的設(shè)計(jì)目標(biāo)。