熱插拔技術概述詳解

1、 熱插拔概述

1.1歷史

熱插拔（hot-plugging或Hot Swap）即帶電插拔，是指將設備板卡或模塊等帶電接入或移出正在工作的系統(tǒng)，而不影響系統(tǒng)工作的技術。我們?nèi)粘Ｗ畛Ｓ玫膽镁褪?a target="_blank">USB熱插拔。

一方面，在軍事、電信、金融等領域，設備投入運行后，必須夜以繼日地運轉(zhuǎn)，對這些設備的部件進行拆裝維修、維護、擴展時，系統(tǒng)不能停機，停機則意味著重大的經(jīng)濟損失。這就要求設備部件能夠在系統(tǒng)帶電運行的情況下進行接入或者移出。

另一方面，對連接到總線上的設備，對單個設備進行插入或者拔出的時候，不能對總線產(chǎn)生較大干擾，否則會在總線上產(chǎn)生較大的噪聲，引起總線上其他設備的停機或者誤碼產(chǎn)生，影響整條總線業(yè)務。熱插拔技術正是在這種需求下應運而生。

民用熱插拔技術開始于PC機的開發(fā)中，從586時代開始，系統(tǒng)總線都增加了外部總線的擴展，此時的系統(tǒng)總線已經(jīng)初步滿足熱插拔的要求。1997年開始，新的BIOS中增加了即插即用功能的支持，雖然這種即插即用的支持并不代表完全的熱插拔支持，僅支持熱添加和熱替換。

1.2 熱插拔防護等級

按照電路帶電插拔時對器件和信號的影響程度，把帶電插拔的防護設計分為四個等級。介紹如下。但該四個等級是根據(jù)普通邏輯器件（如驅(qū)動器等）的電路結構來定義的，FPGA、CPLD等大邏輯器件的端口結構與普通邏輯器件有較大的區(qū)別，結構更加復雜，但仍可以等效為普通邏輯器件的熱插拔等級。

1）0級防護

具有0級防護設計的電路板應在先關斷主電源的情況下才能安全的帶電插拔。它沒有對瞬變電流或突變電壓的抑制保護，插拔過程中插入電路板接口也不能進入高阻狀態(tài)。如果插入電路板在系統(tǒng)沒有斷電情況下就進行帶電插拔，板上的接口器件或其他元件很可能受到損壞。只能達到0級防護設計的電路板不能帶電插拔。

2）1級防護（Partial Power Down）

具有1級防護設計的電路板在斷電時能限制帶電總線和插入電路板接口之間的電流，從而防止插入電路板受到損壞。這種瞬態(tài)電流限制就能保證在不打斷主電源情況下帶電插拔電路板，但是在帶電插拔期間，主系統(tǒng)必須暫停信號傳輸。這種防護設計需要使用IOFF電路。

3）2級防護（Hot Insertion）

具有2級防護設計的電路板具有帶電插拔性能，它能防止插入電路板插拔時的驅(qū)動沖突。2級防護設計除了具有1級防護設計的能力外，信號端還能在電源電壓上升到指定值之前保持高阻狀態(tài)，在電源電壓超過這個指定值后會按照設置狀態(tài)輸出。電路板斷電時，在電源電壓下降到預定電壓值之前輸出保持為驅(qū)動邏輯電平，然后變成高阻狀態(tài)。按照2級防護設計的要求，電路板帶電插拔期間總線上的數(shù)據(jù)傳輸可能會被打斷。2級防護設計既需要1級防護設計中的IOFF電路，也需要上電3態(tài)電路（PU3S）。

4）3級防護（Live Insertion）

具有3級防護設計的電路板在帶電插拔時對系統(tǒng)電源和信號沒有其他的限制、約束和要求。帶電插拔和數(shù)據(jù)交換可同步進行，即在任何情況下進行插、拔操作都不會破壞數(shù)據(jù)，當然更不會損壞器件。為了達到這些要求，3級防護設計同時需要IOFF、PU3S和預充電I/O。

1.3 熱插拔會導致的問題

在以前，我們使用電腦或者其他電子設備時，總會受到警告：不能帶電插拔，如果我們帶電插拔，輕則造成系統(tǒng)死機或者重啟，重則造成接口電路硬件損壞，造成巨大損失。這是什么原因呢，對不支持熱插拔的系統(tǒng)，帶電插拔為什么會造成如此嚴重的后果？

（1） 熱插拔引發(fā)閂鎖效應：熱插拔前設備之間可能存在較高電位差，如果不采取相應措施這種電位差將對設備上的IC 芯片構成嚴重危害，尤其是CMOS器件，有可能引發(fā)閂鎖效應。

（2）熱插拔誘發(fā)靜電問題：雖然冷插拔過程中也有靜電問題，但是由于熱插拔時一部分電路是處于上電工作狀態(tài)，因此熱插拔時的靜電干擾會引發(fā)諸如“閂鎖效應”之類惡性故障，除此之外，熱插拔對于穩(wěn)定工作的背板設備的靜電干擾使得本來在設備內(nèi)部的背板連接器變成了被靜電直接擊中的外部接口。

（3）熱插拔導致浪涌問題：當單板插入機框時，機框中其他設備已處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，所有儲能電容均被充滿電，而單板上的電容沒有電荷，當設備與主板接觸時設備上的電容充電將在短時間內(nèi)從電源系統(tǒng)吸入大量電能，在供電線路上形成一股比正常工作電流高出數(shù)倍的浪涌電流。浪涌電流會使電源出現(xiàn)瞬時跌落導致系統(tǒng)復位、引發(fā)閂鎖效應、導致連接器電路板金屬連線和電路元件燒壞。

（4）熱插拔對總線造成干擾：總線上插入板卡時，由于新插入板卡電容的充電以及上電過程中一些低阻抗通道的存在，會產(chǎn)生極大的浪涌電流，拉低總線電平，對總線上其他設備產(chǎn)生干擾，影響總線上其他設備的正常運行。同時插拔時也對總線接口帶來靜電問題。

2、熱插拔導致的閂鎖效應及其防治

2.1閂鎖效應及其機理

（1） 定義：閂鎖（Latch up）是指CMOS器件所固有的寄生雙極晶體管被觸發(fā)導通，在電源和地之間形成一個低阻通路。

（2）故障現(xiàn)象：CMOS芯片的電源和地之間大電流通過，導致芯片自身燒毀失效，嚴重時會波及周圍的電路和易燃器件（如：鉭電容）。

（3）內(nèi)部機理：見圖2-1

圖2-1 閂鎖內(nèi)部機理示意圖

如圖2-1所示，CMOS發(fā)生閂鎖效應時，其中的NMOS的有源區(qū)、P襯底、N阱、PMOS的有源區(qū)構成一個n-p-n-p的結構，即寄生晶體管（Q1、Q2），本質(zhì)是寄生的兩個雙極晶體管的連接。P襯是NPN的基極，也是PNP的集電極，也就是NPN的基極和PNP的集電極是連著的；N阱既是PNP的基極，也是NPN的集電極。再因為P襯底和N阱帶有一定的電阻，分別用R1和R2來表示。

當N阱或者襯底上的電流足夠大，使得R1或R2上的壓降為0.7V，就會是Q1或者Q2開啟。例如Q1開啟，它會提供足夠大的電流給R2，使得R2上的壓降也達到0.7V，這樣R2也會開啟，同時，又反饋電流提供給Q1，形成惡性循環(huán)，最后導致大部分的電流從VDD直接通過寄生晶體管到GND，而不是通過MOSFET的溝道，這樣柵壓就不能控制電流。

（4）閂鎖機理的集總器件表述：

元器件中的寄生晶體管連接關系可以用集總元件來表示，如圖2-2所示，其結構實際上是一個雙端PNPN結結構，如果再加上控制柵極，就組成門極觸發(fā)的閘流管。該結構具有如圖3所示的負阻特性，該現(xiàn)象就稱為閂鎖效應（閂鎖本是閘流管的專有名詞）。即雙端PNPN結在正向偏置條件下，器件開始處于正向阻斷狀態(tài)，當電壓達到轉(zhuǎn)折電壓時，器件會經(jīng)過負阻區(qū)由阻斷狀態(tài)進入導通狀態(tài)．這種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，可以由電壓觸發(fā)(=0)，也可以由門極電流觸發(fā)(≠O)。門極觸發(fā)大大降低了正向轉(zhuǎn)折電壓。

圖2 -2PNPN雙端器件

兩個寄生晶體管工作時，形成正反饋電路，加深可控硅導通，造成的結果在器件級的描述一樣，一股大的電流將由電源流向接地端，導致一般正常電路工作中斷，甚至會由于高電流散熱的問題而燒毀芯片

2.2 閂鎖的產(chǎn)生條件

（1）存在正反饋：寄生雙極極晶體管回路電流增益必須大于1。β1β2.>1

（2）外觸發(fā)條件：一個維持足夠長時間的外部電流，使雙極型晶體管導通起來。

（3）電流供應能力：外電路能持續(xù)提供維持閂鎖所必須的電流。

2.3 閂鎖的常見誘發(fā)原因

（1）輸入/輸出腳電壓：高電平比芯片電源還高，低電平比芯片地還低，這是最常見的誘發(fā)原因。

（2）電源端異常的浪涌電壓或噪聲干擾，

（3）地線引入異常干擾電壓。

2.4熱插拔誘發(fā)閂鎖的原因分析

（1）通訊管腳先于電源管腳接通導致CMOS器件的輸入/輸出腳電壓高于電源電壓或低于地電壓。

（2）板卡插入瞬間由于電容充電電流，導致背板電源異常波動，引發(fā)器件閂鎖。

（3）單板插入時板上靜電放電導致的閂鎖

（4）板卡拔出瞬間由于電感的感生電壓導致背板CMOS器件閂鎖。

2.5閂鎖的預防措施

（1） 電路接口部分采用防護措施：防止觸發(fā)信號的引入。

（2）COMS器件輸入/輸出端加限流電阻。驅(qū)動長線負載時，做好匹配，以減小過沖、下沖，允許的條件下，可在CMOS器件端口處加兩個二極管，一個接地，一個接電源。系統(tǒng)具有用戶可操作的I/O，在I/O串接一個電阻限流，并可在端口處加兩個二極管，一個接地，一個接電源。

（3）小功耗器件電源線上串限流電阻，電源串電阻，限流，消除閂鎖導致器件的損壞。

（4）防止電源/地線電壓波動

（5）避免大電容負載

（6）帶電插拔時，要求連接順序為：GND、低電壓電源、高電壓電源、I/O。其中電壓以絕對值計。相同幅值的正負電源同時上電，可使兩者的影響相互抵消。

（7）做好電源去耦，避免上電時或工作中，電源電壓上沖或下沖導致的閂鎖。

（8）數(shù)字電路與模擬電路相接時，如下圖，通過電阻分壓比用二極管箝位效果要好。

（9）繼電器等感性負載，加反接二極管吸收浪涌電流。

（11）高低電壓電源之間接二極管，避免在上下電時，低電壓電源端電壓超過高電壓電源端過多，起箝位作用。

（12）同電壓的不同電源之間加兩個相互反接的肖特基二極管。

（13）AGND與DGND之間加兩個相互反接的肖特基二極管。

審核編輯 ：李倩