電信系統的熱插拔設計:避免拼湊、支持高效設計

本應用筆記討論了熱插拔電路在常備系統中的重要作用和電路優(yōu)化，本文以電信系統作為需要插入背板的微處理器板卡的例子。“始終保持有效運轉”的系統定義為不會(huì )因為維護或整修而斷電的系統，本文涉及的“5個(gè)9”高度可靠系統幾乎意味著(zhù)零關(guān)斷。如此可靠運行的設備必須依靠熱插拔電路，在不關(guān)閉整體系統電源的前提下插入或拔出維護板卡。本文詳細介紹了熱插拔電路，對一些拼湊而成的熱插拔方案加以分析，說(shuō)明了這些方法中存在的缺陷。本文還闡述了新一代高集成度控制器，這些熱插拔控制器從根本上克服了早期設計的問(wèn)題。

類(lèi)似文章于2010年7月19日發(fā)表在Planet Analog網(wǎng)站。

引言

與其它復雜的多卡系統類(lèi)似，電信系統是由插入背板的微處理器板卡系統的集合。這類(lèi)“始終保持有效運轉”的系統通常包括：專(zhuān)用交換機(PBX)、蜂窩基站(BTS)、刀片式中心(BCT)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò )數據通信和存儲系統。系統一旦上電運行，將不允許斷電中止服務(wù)或進(jìn)行維護。

通常用“5個(gè)9”描述這些系統，即99.999%地保持有效運轉，這意味著(zhù)幾乎為零的關(guān)斷時(shí)間。對于工作在這一級別的系統，必須允許在保持整個(gè)系統工作的狀態(tài)下插入或拔出板卡，以便對系統進(jìn)行維護、升級和配置，有時(shí)甚至是在不影響系統工作的狀態(tài)下進(jìn)行系統擴展。

本文討論了板級工程師目前在設計熱插拔電路時(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)強調了電壓瞬變，文中介紹了拼湊式熱插拔控制方案的一些負面影響。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

熱插拔事件：板卡插入、拔出時(shí)產(chǎn)生的浪涌電流尖峰

熱插拔表示在全速運轉、沒(méi)有斷電的系統中插入或拔出板卡、電纜或其它裝置。利用合理的設計，帶電插入板卡時(shí)不會(huì )在電源或系統的輸入、輸出信號上產(chǎn)生任何干擾。

當一個(gè)背板插入所有板卡并保持全速運轉時(shí)(圖1)，背板上的板卡均處于帶電狀態(tài)。這意味著(zhù)每塊板卡的電源輸入端都有一個(gè)大電容，而且這個(gè)旁路電容處于完全充電狀態(tài)。電源輸入端的大電容為電源設計提供了個(gè)重要作用：為板卡的下游電路提供穩定的供電電壓，消除旁路電容上的擾動(dòng)以滿(mǎn)足負載的瞬態(tài)供電需求。

如果將機架上尚未充電的一塊板卡插入帶電背板時(shí)，將會(huì )發(fā)生幾種情況。參考圖2，在新插入并開(kāi)始上電的PCB上，用于旁路和濾波存儲的大電容將呈現瞬間短路并開(kāi)始充電。充電電荷來(lái)自于帶電系統，電容C1、C2和C3 (這些其它板卡上已經(jīng)充電的電容將開(kāi)始放電)。這種不受控制的電容充電(或放電)將對新插入板卡上的電容注入較大的浪涌電流。浪涌電流的幅度可能在極短的時(shí)間內達到數百安培，取決于實(shí)際系統。

隨著(zhù)電容快速充電，它們將表現為短路狀態(tài)，瞬間吸收較大的電流。圖3給出了注入電解電容的浪涌電流的波形圖，以及電容充電時(shí)兩端的電壓。從曲線(xiàn)圖可以看出，電流峰值達到了9.44A，從系統吸取較大功率，這將導致背板系統的電容放電。從而使電源電壓跌落，可能造成相鄰板卡復位，引入數據傳輸故障或嚴重干擾其它系統的運行。

瞬間浪涌電流的幅度是負載(早供電)電容的函數，負載電容越大(并且，ESL和ESR越低)，峰值浪涌電流越大。


圖2. 電路板插入順序和上電時(shí)的浪涌電流


圖3. 注入電解電容的浪涌電流和電容充電時(shí)兩端的電壓

電壓瞬變的影響可能導致系統失效

任何系統中，這些背板的電源通常提供電流限制。熱插拔過(guò)程中所產(chǎn)生的電壓瞬變可能對已插入背板的板卡造成嚴重威脅。浪涌現象會(huì )導致背板電源的跌落，而背板電源總線(xiàn)的電壓跌落和/或電源上的脈沖干擾可能造成系統意外復位。不受限制的浪涌電流還會(huì )導致元器件損壞：板卡旁路電容被燒毀、印刷電路板(PCB)引線(xiàn)被燒斷、背板連接器引腳和/或保險絲被燒斷(這可能是受到破壞的主要部件)。

背板電源總線(xiàn)的跌落會(huì )在要插入系統的板卡電源上產(chǎn)生擾動(dòng)或脈沖干擾，也會(huì )導致相鄰板卡產(chǎn)生復位或影響背板與卡之間的通信(造成通信錯誤)。背板通常采用差分總線(xiàn)(LVDS/LVPECL/光纖通道/其它)，必須滿(mǎn)足信號規格以確保通信正常。熱插拔期間由于V_CC電源電壓和地電平的變化，會(huì )在信號總線(xiàn)上引入共模噪聲?？紤]到這一潛在問(wèn)題，熱插拔控制電路必須采取保護措施，避免在背板上產(chǎn)生強噪聲而導致總線(xiàn)的數據通信錯誤。

另外一個(gè)容易忽略的問(wèn)題是系統的長(cháng)期可靠性，設計不當的熱插拔保護電路會(huì )使電路板上的元器件在長(cháng)期受到熱插拔事件的沖擊下而損壞。本質(zhì)上講，每次熱插拔操作都類(lèi)似于從硅片上“抽取”綁定線(xiàn)，這種周而復始的操作最終會(huì )引起毀滅性的破壞。解決這一問(wèn)題的有效途徑是對熱插拔板卡的浪涌電流峰值加以控制。