本應用筆記討論了熱插拔在高可用性系統中的重要作用和最佳電路。它使用電信系統作為插入中板或背板的基于嵌入式微處理器的卡集合的示例。這些系統被歸類為“高可用性”系統，不應因服務或維修而斷電。本文定義了術語“5-NINEs 可用性”，這意味著幾乎零停機時間。只有在不關閉整個系統電源的情況下通過熱插拔卡來維修卡時，才能實現這種可用性級別。本文隨后介紹了熱插拔電路。它展示了一些拼湊的熱插拔方法，并解釋了這些方法的缺陷。本文最后討論了更新、集成度更高的熱插拔控制器，這些控制器克服了先前設計中的問題。

介紹

與許多其他復雜的多卡系統一樣，電信系統是插入中板或背板的基于嵌入式微處理器的卡的集合。它們被歸類為“高可用性”系統，包括專用交換機 （PBX）、蜂窩基站收發器 （BTS）、刀片中心電信 （BCT） 服務器、網絡數據通信和存儲系統。一旦啟動并運行，這些系統就不應該因維修或維修而斷電。

術語“5-NINEs 可用性”通常用于描述這些系統。這意味著 99.999% 的可用性，這意味著停機時間幾乎為零。只有在不關閉整個系統電源的情況下通過熱插拔卡來維修卡時，才能實現這種可用性級別。然后，必須能夠在不干擾系統其余部分的情況下即時修復、升級、配置甚至有時擴展系統。

本文討論了板級設計工程師目前在設計熱插拔電路時使用的一些拼湊解決方案。下面將討論一些新一代創新的熱插拔解決方案。術語“熱插拔”的定義將強調電壓瞬變。將展示規避做得不好（拼湊）熱插拔的不利影響的解決方案。討論以熱插拔技術的最新創新結束。

熱插拔事件：了解瞬態

圖1.基于多PCB機箱的系統。

熱插拔事件：插入或取出卡時的峰值浪涌電流

熱插拔是指在不先斷開系統電源的情況下，將卡、電纜和其他物品插入或取出完全可操作的帶電系統。正確進行卡熱插拔不應引起電源或系統輸入和輸出信號的任何干擾。

當基于機箱的完全運行系統的所有插件卡都在機箱中時（圖1），這些卡全部通電。這意味著每張卡的所有大電容和旁路電容都已完全充電。電源輸入端的大容量電容器允許電源設計人員完成兩項重要任務：為卡上的下游穩壓器提供良好的電能質量，并補充較小的分布式旁路電容器，以滿足負載的瞬態需求。

當另一張從架子上不充電的卡插入帶電背板時，可能會發生幾件事。請參閱圖 2。新插入和供電的PCB的旁路和濾波器存儲大容量電容器就像短路一樣快速開始充電。其中一些電荷來自帶電系統，電容器C1，C2和C3。（因此，其他卡中已經充電的電容器將全部放電）。先前插入的卡上的電容器的這種不受控制的充電（或放電）會在新卡的大容量電容器中產生較大的浪涌電流。根據系統的不同，浪涌電流可以在很短的時間內達到數百安培的幅度。

當電容器快速充電時，它們顯示為短路并瞬間消耗大量電流。圖3顯示了流入大容量電解電容器的浪涌電流以及電容器充電時兩端的電壓曲線。如圖所示，峰值電流達到9.44A。對系統產生大量需求，這可能導致機箱系統的電容器放電。這會導致電壓下降，可能導致相鄰卡復位，從而可能導致傳輸數據錯誤或其他系統故障。

瞬時浪涌電流的大小是負載（早期功率）電容的函數。負載的電容越大（ESL和ESR越低），峰值浪涌電流就越高。

圖2.電路板插入順序和上電時的浪涌電流。

圖3.該圖顯示了進入大容量電解電容器的浪涌電流以及電容器充電時兩端的電壓。

電壓瞬變對系統的影響可能是災難性的

與任何系統一樣，這些基于機箱的系統中的電源是電流限制的。熱插拔事件期間發生的電壓瞬變會對已插入機箱的卡產生很大影響。浪涌現象可能導致機箱電源軌嚴重崩潰、背板電源總線電壓下降和/或電源故障，從而無意中導致系統復位。這種不受限制的電流浪涌還可能對組件造成物理損壞：卡的旁路和大容量電容器、印刷電路板 （PCB） 走線、背板連接器引腳和/或保險絲熔斷（這可能是一個主要麻煩）。

通常，背板的電源總線會下降，這會導致電源擾動或插入系統的卡出現電源毛刺。相鄰的卡也可能遇到不必要的重置，或者卡之間背板上的通信信號可能會受到影響（例如，引起位錯誤）。背板通常使用差分總線（LVDS/LVPECL/光纖通道/其他），必須滿足某些信令規范以確保適當的信令性能。熱插拔事件會在V上引入電壓變化，從而影響其共模噪聲規格抄送和接地層?？紤]到熱插拔事件的潛在有害影響，實現良好的熱插拔電路必須確保熱插拔不會在背板上產生足夠大的噪聲，從而導致這些總線上承載的數據出錯。

設計人員最常忽略的另一個問題是系統的長期可靠性。設計不良的熱插拔保護電路會導致組件因每次感應熱插拔事件而緩慢承受壓力。從本質上講，每次發生熱插拔事件時，其效果類似于試圖將鍵合線從封裝中的硅中“拉出”（以分離）。隨著時間的推移，這種反復的壓力會導致災難性的故障。這種現象的最佳補救措施是控制熱插拔卡上的峰值電流和浪涌電流。

拼湊浪涌控制實現

有幾種已知的方法可以實現浪涌峰值電流的控制解決方案。一些方法基于合理的工程分析，而另一些方法則是一種設計不佳的方法，可以減輕系統中熱插拔的影響。后面這些方法在下面描述為拼湊實現。

預充電器引腳或“早期電源”（即電阻方法）

在應用中實現浪涌電流控制的一種方法是使用“交錯引腳”方法，也稱為“早期功率引腳”、“預充電電壓”或“預引線”引腳。交錯針腳實現提供了一種物理方法，可確保新卡正確就位并及時進行連接。這種浪涌電流控制方案還可以與電阻器結合使用，以限制熱插拔事件期間的電流。

預充電引腳解決方案是最基本的熱插拔解決方案之一，它實現了具有長短電源引腳組合的連接器。請參閱圖 4。長電源引腳首先配接，然后通過串聯電阻器R 開始為新卡的濾波器和大容量電容器充電預充電.R預充電限制消耗的電流。在卡插過程接近尾聲時，短功率引腳配接，繞過 R預充電連接到較長的引腳，并創建用于為卡供電的低阻抗路徑。信號引腳通常最后配接以完成就位過程。

圖4.智能連接器支持熱插拔功能。

在這種情況下，保護裝置是一個電阻器RPRECHARGE，它通過將浪涌電流限制在不損壞引腳或干擾相鄰卡上的電壓軌的水平來保護卡。一些工程師在此基本實現中增加了一個電感和/或二極管接地。

本文將預充電引腳方法視為一種“拼湊”的熱插拔解決方案，因為大容量輸入濾波電容的充電速率仍然無法控制。此方案有兩個主要問題：短針腳相對于長針腳長度的變化，以及服務技術人員將卡插入系統的快與慢。歸根結底，這是一個機械解決方案;由于連接器的機械公差，相同標稱長度的引腳不一定在同一時間接觸。這就是為什么用戶可以體驗上述變化的原因。而且，如果短電源引腳長一點，并且PCB插入機箱的時間非?？?，則R預充電可以在大容量輸入電容充滿電之前短路。這種情況是相當合理的，因此部分否定了控制浪涌電流的嘗試。

另一個重要步驟是調整RPRECHARGE的大小。這不是一件容易的事，如果電阻器指定不正確，可能會影響系統。該預充電電阻的值必須調整為均衡預充電和主浪涌電流。

最后，交錯引腳實現需要一個專門的連接器，這在歷史上成本過高。

從上述論點可以看出，預充電引腳方案的缺點非常重要。它非常有限，難以以可靠的精度水平實現。它不會在啟動時調節電流，也不會提供輸出過壓 （OV） 和欠壓 （UV） 監控。

熱敏電阻（電流特性）方法

另一種熱插拔實現方案是熱敏電阻熱插拔方法。熱敏電阻是一種電子元件，其電阻隨其溫度的變化而顯著變化（即電阻隨熱的變化而變化）。它通常用于需要溫度相關調節的電路。負溫度系數（NTC）熱敏電阻的電流-時間特性取決于其熱容、耗散常數和使用電路。該電流-時間特性可用于區分短時間的高壓尖峰和初始電流浪涌。圖5所示為基于熱敏電阻的熱插拔限流電路，內置外部MOSFET1。

圖5.基于熱敏電阻的熱插拔電路實現。

采用基于熱敏電阻的方法時，必須適當考慮施加到熱敏電阻的峰值瞬時功率。設計人員必須考慮電路板的環境溫度變化（銅面積和氣流），以及如果超過其電壓和/或電流額定值，熱敏電阻器件本身可能會損壞的事實。

這種熱敏電阻方法有幾個令人不安的問題。例如，在電信行業，在系統首次發布給電信運營商后，預計不會重新設計卡。因此，熱敏電阻會導致長期可靠性問題。還必須考慮負溫度系數（NTC）的反應時間。如果反復將卡插入機箱并從機箱中取出，則會出現另一個密切相關的問題。熱敏電阻很可能不會冷卻到足以在下一次插入事件時有效限制浪涌電流。最后，熱敏電阻的特性很可能會隨著時間的推移而改變，從而使系統變得脆弱。

總之，雖然這種方法可以在溫度相關的應用（例如LCD偏置電源）中做得很好，并且可以限制峰值浪涌電流，但基于熱敏電阻的熱插拔電路并不能提供可靠、長期熱插拔實現所需的擴展優勢。

分立式熱插拔電路

實現浪涌電流控制的另一種方法是使用多個分立元件。（誠然，許多設計師可能不認為這是一個拼湊的解決方案。通常，故障保護、斷路器和電流控制功能都在具有獨立功率MOSFET、功率檢測電阻和其他分立偏置元件的獨立電路中完成。這些分立式熱插拔電路不僅復雜且難以調試（僅此一項就增加了設計和驗證時間），而且還可能具有更高的成本并需要更多的PCB空間。

分立式熱插拔電路的重要問題是無源分立元件的寄生元件的影響。對于設計師來說，這是一個至關重要的考慮因素。這些電路使用電阻和電容來控制上升和下降時間、電壓和電流以及其他檢測條件。該系統的設計者的任務是特別注意寄生元件如何影響電路的工作條件。

在評估了上述三種拼湊在一起的熱插拔實現方法之后，仍然有更好的方法。事實上，確保設計長期保護和可靠性的最佳方法是使用嵌入到單個單片芯片中的完整集成熱插拔解決方案。下一節將討論一些業界最具創新性的熱插拔方案，包括MAX5961熱插拔控制器。

真正的浪涌峰值電流控制

更高的集成度

工程師可以使用一種電路來限制插入卡的浪涌電流，防止過流情況和負載瞬變，并保持減少故障點的數量，從而對熱插拔嵌入式卡的長期可靠性產生積極影響。市場上有集成度更高的熱插拔控制器IC;某些控制器 IC 不再需要檢測電阻。許多其他IC已經使實現熱插拔電路成為一項簡單且非常有效的任務。例如，可以找到單個部件支持的以下功能：紫外線和OV保護;過載期間使用恒流源進行有源電流限制;故障負載在電源壓降前斷開的電子斷路器;反向電流保護，帶有額外的驅動FET，以提供“理想二極管”;多電壓排序;數字電壓和電流監控;并在負載故障后自動重試。

一些模擬半導體供應商推出了各種各樣的熱插拔解決方案，以滿足大量的系統要求。最新一代熱插拔IC提供多種模擬和數字功能，例如能夠在卡就位并上電后長時間持續監控電源電流。此監控功能可確保卡在正常運行期間持續受到短路和過流情況的保護。持續監控還允許在故障卡完全失效并導致停機之前快速識別并從系統中移除。

集成式ADC的重要性

模擬、ADI和凌力爾特具有熱插拔解決方案，具有數字故障和統計數據（或飛行）記錄功能。最近的一個新術語“數字熱插拔”IC是指集成高性能ADC進行電壓和電流監控的熱插拔解決方案。表1比較了這些供應商提供的熱插拔IC的一些關鍵規格。MAX5967不在表中，但與LTC4215引腳和功能兼容。?

這些器件中的嵌入式ADC使熱插拔控制器IC具有擴展的能力，可以在故障發生時監控和報告電源狀態和其他生命體征。MAX5961還可以存儲幾毫秒的過去電壓和電流測量值。此數據可用于簡化以后的系統調試和故障分析。

集成的ADC也為OEM廠商創造了提高產品創意的機會。人們可以觀察到高級董事會管理的增值功能有所增加：

信息收集：設計人員可以使用今天收集的系統重要數據來構建效率優化的下一代系統。

持續監控：在這些高可用性系統的正常運行期間，可能希望通過持續監控電源溫度水平來記錄卡功率水平的某些“重要統計數據”。這可以在以后用于“預測某些特定故障”。

功率預算：通過讀取過去和當前的故障條件，可以確保沒有嵌入式卡使用超過其總功率預算的份額。這種監控將有助于及早識別異常操作條件，并有助于減輕或消除對系統其余部分的任何影響。

I2C鏈路連接到系統微處理器

控制器的I2C接口由卡的微處理器用于收集上述重要統計數據。通過此接口，控制器配置為連續運行、閉鎖或重新啟動;這是系統管理固件在早期識別問題卡的方式。此接口實質上是機箱對服務技術人員的警告顯示。它的功能很像汽車儀表板上看到的快速服務引擎燈。

結論

高可用性系統中的熱插拔PC板是不可避免的。盡管如此，追蹤插入事件后由浪涌電流引起的 PC 板故障是一項非常具有挑戰性的任務。了解故障，或者最好是防止故障，對于任何拼湊的熱插拔解決方案來說都是復雜的，這些解決方案不可避免地會對系統的長期性能產生比工程師想象的更大的負面影響。

當今高度集成的熱插拔解決方案將確保系統中的熱插拔事件不會導致數據傳輸錯誤或重置系統中已有的卡。這些解決方案將有助于維持系統的長期可靠性。最后，目標就是達到并超越 5-NINE。

審核編輯：郭婷