采用PLD器件實現(xiàn)電路中的熱插拔設(shè)計

互聯(lián)網(wǎng)的繁榮和無線通訊及存儲行業(yè)的發(fā)展使得實時數(shù)據(jù)通訊量成指數(shù)級增長。數(shù)據(jù)通訊量的急劇增加使系統(tǒng)可用性顯得更加關(guān)鍵，因為系統(tǒng)即使停一秒鐘也意味著將產(chǎn)生巨大的影響，并將減少運營商的收入。為了使系統(tǒng)的宕機(jī)時間為零，可以將系統(tǒng)設(shè)計成可熱插拔的形式。熱插拔是指系統(tǒng)在正常運行時可以從背板上插入或取出電路板，而不會對主系統(tǒng)的正常工作產(chǎn)生影響。熱插拔也稱為熱切換（hot swap）或熱插入。

快速發(fā)展的半導(dǎo)體工藝技術(shù)使支持熱插拔的設(shè)計更趨復(fù)雜，因為工藝尺寸越來越小，IC的工作電壓也越來越低，而且不同的I/O標(biāo)準(zhǔn)需要不同的電平。當(dāng)前的PCB板上大多都有工作電壓分別為5.0V、3.3V、2.5V、1.8V、1.5V和1.2V的器件，要使系統(tǒng)能正常工作必須保證每個器件正確的加電順序，然而這通常具有一定難度。

由于FPGA能提供更多邏輯、更高復(fù)雜程度以及成本降低，在系統(tǒng)級可編程芯片（SoPC）應(yīng)用中，可編程邏輯器件（PLD）在市場上得到了廣泛的認(rèn)同。FPGA已經(jīng)融入到通訊、網(wǎng)絡(luò)和存儲應(yīng)用的數(shù)據(jù)通道中。由于熱插拔對保證系統(tǒng)的不間斷工作很重要，因此這些系統(tǒng)在使用PLD時，也要求可以進(jìn)行熱插拔。

要支持熱插拔，PLD器件的設(shè)計必須滿足以下要求：

1. 器件在加電以前可以被驅(qū)動，并且不能對器件本身造成損害。

2. 在加電以前及加電的過程中不能排斥器件。

3. 外部輸入到器件I/O管腳的信號不能通過器件的內(nèi)部通道對器件的VCCIO和VCCINT電源產(chǎn)生激勵。

PLD熱插拔的基本原理是在加電（VCCINT或任何VCCIO電源）或關(guān)電過程中關(guān)斷輸出緩沖。當(dāng)VCCINT或VCCIO低于閾值電壓時，熱插拔電路都會產(chǎn)生一個內(nèi)部的HOTSCKT信號，HOTSCKT信號將關(guān)斷輸出緩沖，以便確保沒有直流電流通過管腳（不包括通過弱上拉電阻的漏電流）（見圖1）。

當(dāng)VCC非常緩慢地升高時，在發(fā)出加電復(fù)位（POR）信號和FPGA器件配置完成后，VCC電壓甚至還相對較低。如果熱插拔電路在管腳CONF_DONE、nSTATUS和nCEO上實現(xiàn)時，它也不會有響應(yīng)，因為在這樣低的VCC電壓下，輸出緩沖不會從熱插拔電路設(shè)定的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)。要解決這個問題，需要去除這些管腳的熱插拔特性，確保管腳CONF_DONE、nSTATUS及nCEO在配置的過程中可以工作。

圖1所示是Altera PLD熱插拔的實現(xiàn)原理框圖：POR電路監(jiān)測VCCINT的電壓，并保持I/O管腳的三態(tài)，直至器件進(jìn)入用戶模式；I/O管腳到VCCIO的弱上拉電阻防止I/O管腳的電壓漂移；電壓誤差控制電路允許I/O腳在VCCIO和/或VCCINT加電前被驅(qū)動，同時還防止器件不在用戶模式時I/O腳被排斥。熱插拔電路還可以在器件加電以前阻止I/O腳外部信號加到內(nèi)部VCCIO和VCCINT上來。

圖2是FPGA器件I/O緩沖器晶體管級圖示。Stratix、Stratix GX及Cyclone FPGA系列I/O腳的CMOS輸出驅(qū)動器提供內(nèi)在的靜電釋放（ESD）保護(hù)。對于ESD電壓的沖擊需要考慮兩種情形：正電壓沖擊和負(fù)電壓沖擊。當(dāng)I/O管腳上具有一個正電壓時，由于ESD充電事件而發(fā)生ESD沖擊。這將造成N溝道漏極的N+（漏極）/P襯底之間的結(jié)擊穿，然后N+（漏極）/P-襯底/N+ （源極）內(nèi)在雙極晶體管導(dǎo)通，這樣將ESD電流從I/O腳到GND釋放。當(dāng)I/O腳的電壓小于-0.7V（0.7V為二極管的壓降）受到負(fù)的ESD沖擊時，內(nèi)部的P-襯底/N+漏極二極管為正偏壓。因此建立了從GND到I/O管腳釋放ESD電流的通道。

最新的FPGA器件嵌入了高速串行收發(fā)器以滿足通訊、網(wǎng)絡(luò)和存儲設(shè)備的要求，這些設(shè)備在它們的背板結(jié)構(gòu)中采用了串行數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。嵌入收發(fā)器支持熱插拔的特點很關(guān)鍵，這樣在熱切換的過程中背板才不會對數(shù)據(jù)連接產(chǎn)生影響。Stratix GX系列FPGA上都具有高速片上串行接收器，它們設(shè)計成支持熱插拔的形式。

對于不需要熱插拔的多電壓系統(tǒng)，PLD的熱插拔和上電順序保護(hù)功能依然很重要。在這些系統(tǒng)中，由于采用穩(wěn)壓器來提供不同的電壓，因此難于預(yù)測加電順序，要求預(yù)定加電順序的器件將可能不能正常工作。

由于通常PLD的功能不會受系統(tǒng)加電順序的影響，因此PLD片上熱插拔特征可以用來緩解多電壓系統(tǒng)設(shè)計中加電的順序問題。這對于那些復(fù)雜的多電壓系統(tǒng)很重要，在這些系統(tǒng)中可以采用例如MAX 3000A和MAX 7000AE這些CPLD器件來控制其它器件的加電順序。

通過采用嵌入式的專門電路，先進(jìn)的PLD能夠為那些需要多重電壓和熱切換功能的應(yīng)用提供簡單的支持和加電順序保護(hù)。對于需要熱插拔的系統(tǒng)，熱插拔PLD的可編程I/O管腳不會影響與PLD連接的系統(tǒng)總線。此外，設(shè)計工程師在利用熱插拔PLD時，不必考慮不同的加電順序是否會影響PLD的正常功能。