熱插拔，即帶電插拔，主要發(fā)生在不關(guān)閉系統(tǒng)電源的情況下，將模塊、板卡、部件插入（連接）或拔出（斷開）系統(tǒng)來執(zhí)行測試、故障排除或信號調(diào)整，而不影響系統(tǒng)的正常工作，從而提高了系統(tǒng)的可靠性、快速維修性、冗余性和對災(zāi)難的及時恢復(fù)能力等。
其中一個常見例子就是數(shù)據(jù)中心的電源可能發(fā)生故障，因此需要在不關(guān)閉整個服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)的情況下維修或更換電源。可是，在仍然通電的情況下突然斷開電路的連接，如果一不小心進(jìn)行插入和拔出組件，或會影響系統(tǒng)的正常工作，甚至?xí)苯訐p壞系統(tǒng)。
熱插拔的危害
對不支持熱插拔的系統(tǒng)，如果本身設(shè)備可能存在較高電位差，當(dāng)進(jìn)行熱插拔，也許會引發(fā)閂鎖效應(yīng)。如果沒有采取即時的相應(yīng)措施，這種較高的電位差將對設(shè)備上的芯片構(gòu)成危害。另外，由于一部份電路是處于上電工作狀態(tài)，一旦熱插拔時，或會使設(shè)備內(nèi)穩(wěn)定工作的板子也受靜電干擾。
還有，當(dāng)單板插入設(shè)備時，由于單板上的電容并未充電，浪涌電流會將在短時間內(nèi)從電源系統(tǒng)流入電容。這浪涌電流瞬間下降時會拉低總線電平，導(dǎo)致系統(tǒng)錯誤復(fù)位、閂鎖效應(yīng)，更嚴(yán)重會導(dǎo)致連接器和元器件燒掉。
除此之外，在熱插拔過程中可能會發(fā)生兩個問題——短路和電弧。
在熱插拔時，組件和輸入和輸出引腳或會損壞。特別在連接電路板時，引腳以錯誤的順序連接，會導(dǎo)致短路，或會直接損壞系統(tǒng)。
當(dāng)連接器插入或拔出時或會產(chǎn)生電弧，并且在連接器的插針和電氣有源組件之間會產(chǎn)生放電。這會導(dǎo)致連接器殼體和端子的損壞，并在結(jié)構(gòu)上削弱連接的完整性。需要考慮的是，電弧的大小和持續(xù)時間取決于設(shè)備系統(tǒng)提供的功率。具有較高電壓和電流的系統(tǒng)所承受的電弧將大于具有較低電壓和電流的系統(tǒng)，但這并不意味著在功率較低的系統(tǒng)中不會發(fā)生電弧，只是電弧不那么顯著且損害較小。
熱插拔連接器
為了確保帶電拔插在不損壞設(shè)備的情況下安全地連接，連接器生產(chǎn)商設(shè)計了一些特制的熱插拔連接器，如先通后斷的連接器，以確保拔插之前已建立好接地和系統(tǒng)電源的連接。
先通后斷連接器產(chǎn)品是以先通后斷設(shè)計的。先通后斷連接器采用特定于應(yīng)用的接地設(shè)計，允許在建立電源連接之前先建立接地連接，并在電源連接斷開之前一直保持連接
以下是一些熱插拔連接器的例子：
• 泰科電子的滑軌電源連接器
在熱插拔元器件替換時，使用TE的滑軌電源連接器能夠讓服務(wù)器在帶電運行中實現(xiàn)電子元器件熱插拔操作。該電源解決方案適合于電流高達(dá)75A的應(yīng)用，無需在設(shè)備內(nèi)布設(shè)體積龐大的電纜管理系統(tǒng)。由于電源和服務(wù)器直連，滑軌電源連接器還改善了電纜電壓降。由于減少了電纜系統(tǒng)的使用，滑軌電源連接器使連接更可靠。
圖1：滑軌電源連接器的視圖
• Mill-Max的FMLB連接器
FMLB 連接器是一款彈簧式產(chǎn)品，并加入了單排和雙排先通后斷的連接器。該連接器支持必須依次連接和斷開電信號而不是一次連接/斷開全部信號的應(yīng)用 (例如熱插拔)，常用于電源或信號連接之前需確保建立接地路徑的長場景。
• Amphenol的SAS 4.0連接器
SAS 4.0連接器適合用于速度達(dá)到24Gb/s的新一代服務(wù)器。29位的插座和插頭連接器具有熱插拔和盲插、連接器錯位補償以及實現(xiàn)可靠SMT連接的PCB固定機(jī)構(gòu)等特征。這種連接器符合SATA標(biāo)準(zhǔn)，滿足垂直和直角配置需求，可用于服務(wù)器和存儲設(shè)備、硬盤驅(qū)動器和硬盤驅(qū)動器托架。
熱插拔控制器
除了特制的熱插拔連接器外，還需要考慮在插入式模塊或單板上是否需要一塊板載熱插拔控制器。熱插拔控制器為那些在帶電背板上進(jìn)行的插拔操作，提供了兩項重要的功能：
• 當(dāng)電路板插入時，它可限制具有潛在破壞性的浪涌電流。
• 它可起一個電路斷路器的作用，并在斷路之前維持可容許的最大電流和最長時間。
熱插拔控制器可以為整個系統(tǒng)提供連續(xù)保護(hù)、防止短路和過流故障。
以TI的TCA4307為例——TCA4307 熱插拔 I2C 總線緩沖器支持將 I/O 卡插入帶電背板，而不會損壞數(shù)據(jù)和時鐘總線，適用于背板連接。TCA4307在 I/O 外設(shè)卡上，當(dāng)發(fā)生熱插入事件時可將卡上的 I2C 設(shè)備安全地連接到背板。建立連接后，該器件將提供雙向緩沖，從而使背板和卡的電容保持分離。
在插入過程中，SDA 和 SCL 線路被預(yù)充電至1V，從而使為器件寄生電容充電所需的電流降至最低。這1V預(yù)充電功能有助于限制外設(shè)卡 SDA/SCL 連接時潛在的浪涌電流。
圖 2：TCA4307 用于背板應(yīng)用的原理
TCA4307也具有卡住總線恢復(fù)功能，起到一個電路斷路器的作用。如果TCA4307檢測到 SDAOUT 或 SCLOUT 處于低電平約40毫秒，它會自動斷開總線。一旦總線斷開，該器件會在SCLOUT上自動生成多達(dá)16個脈沖，嘗試將總線保持低電平來復(fù)位器件。
當(dāng)I2C總線空閑時，可以通過將EN引腳設(shè)置為低電平來使TCA4307進(jìn)入關(guān)斷模式，從而降低功耗。 當(dāng)EN被拉高時，TCA4307恢復(fù)正常工作。 它還包括一個開漏 READY 輸出引腳，表示背板和卡側(cè)連接在一起。當(dāng)READY為高電平時，SDAIN和SCLIN連接到SDAOUT和SCLOUT。 當(dāng)兩端斷開時，READY為低電平。
熱插拔評估板
善用Digi-Key智能產(chǎn)品搜索，可以在Digi-Key網(wǎng)站內(nèi)找到不少的熱插拔評估板，如:
• ADI 的評估板
• Renesas 的評估板
• TI的評估板
• Vicor 的評估板
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本文小結(jié)
雖然熱插拔極大地方便了我們對電子產(chǎn)品的使用，但并不意味著任何電子產(chǎn)品都可以隨意插拔。 在設(shè)計電子系統(tǒng)時，確認(rèn)產(chǎn)品是否需要支持熱插拔可能是其中重要的一環(huán)，這樣才能享受到使用產(chǎn)品的便利，又能最大限度的保護(hù)我們的設(shè)計成果。 |
