带电插拔技术建模分析

[摘 要] 本文通过建立带电插拔电路模型，分析带电插拔过程中引起损害的原因，给出基本的带电插拔防护原则，最后介绍带电插拔保护电路的原理及应用方案。

前言

带电插拔(Hot Plug)指电子设备在带电运行状态下，将板卡从相应的槽位上拔出或插入的操作。带电插拔技术主要应用于设备需要不间断运行的场合，在设备带电运行状态下完成相应的扩容、升级、维护等操作。典型应用于磁盘冗余阵列（RAID）、主控机柜（PLC）、网络设备（ROUTER）等。带电插拔技术对现代大、中型电子设备的可靠性设计非常重要。

在现代大、中型电子设备中，生产、监控过程的连续性要求设备的维护、扩容等操作不能影响正常运行。因此带电插拔技术在大、中型电子设备中是必不可少的。目前小型电子设备中大量普及的即插即用概念也非常倚重带电插拔技术。该技术的实现，对硬件设计甚至软件设计都提出了较高的要求。

带电插拔技术的基本要求是：板卡在带电插拔操作中不能对工作中的设备和本板卡产生不可抑制的影响，包括系统重启，其它板卡损坏、重启，背板和本板损坏等，甚至要求不产生信号冲突，接口芯片不产生积累性电损伤等。

板卡插入主机时，主机已经处于稳定的工作状态，所有容性负载均已充电。而待插的板卡是不带电的，板卡上的容性负载没有充电。在热插入过程中，待插板卡上的电容瞬间充电。这个充电过程将在插入的瞬间从系统电源吸纳大量的电流，导致系统电压瞬间跌落，影响其它板卡的正常运行。在电源线接触的瞬间，系统电源的输出电阻和待插板卡的电容组成RC充电通道，由于电源的输出电阻很小，浪涌电流非常大。在拔出板卡的过程中，板卡上的旁路电容放电，和背板之间形成一个低阻通道，也会产生瞬间大电流。浪涌电流携带大量的能量，会毁坏接口器件、连接器和金属连线。

如何避免带电插拔带来的不利影响呢？我们尝试建立带电插拔电路模型，通过电路模型模拟带电插拔瞬间的电路特征，找到能够避免带电插拔不利影响的一些基本原则。

带电插拔电路模型的建立

带电插拔技术是随着大规模CMOS工艺器件的运用而发展起来的，所以我们也针对大规模使用的CMOS工艺器件建立带电插拔电路模型。CMOS工艺器件的基本构件是开关管和反相器，反相器扩展成各种基本逻辑门，进而形成相应的逻辑电路。当前运用较广的是双阱工艺COMS器件。其剖面示意图如图1 所示。

根据半导体知识可知，P+/N+结的单向导通性可以等效为一个二极管,分析双阱CMOS工艺器件的剖面图,我们可以得到CMOS工艺器件的输出、输入管脚的等效电路模型，模型如图2所示。其中R1、R2为限流电阻，D1、D2、D3、D4组成保护电路（防止ESD和过电压），保护芯片内部电路。

根据实际的带电插拔过程，带电插拔电路模型的建立基于以下3条基本假设：

1、带电插拔时，插拔端口两端的接口器件都是CMOS工艺器件。

2、电源、地和信号线在带电插拔过程中接触的先后顺序是随机的。

3、信号线上的逻辑电平在插拔过程中的电平状态也是随机的。

根据上述3条假设我们得到如图3所示电路模型，其中板卡1为待插拔板卡，板卡2为已处于正常工作状态的板卡，C1、C2表示板卡上的充电电容，R1、R2表示板卡的负载。图中我们仅以待插拔板卡上接口芯片的输出管脚为例描述带电插拔时的充电过程。

带电插拔电路模型分析

根据模型建立的前提条件，实际插拔过程中可能出现6种状态。状态1：电源、信号线首先接触，地最后接触，信号线电平为低电平（L），充电电压为VCC－L,浪涌电流对C1充电，充电电流流经路径如图3中带箭头的折线所示。由于充电电压较大，U2和D2的负载很大，浪涌电流很容易损伤接口器件。状态2：电源、信号线首先接触，地最后接触，信号线电平为高电平（H）,充电电压为VCC－H,充电电流的流经路径和状态1是一样的，但是由于充电电压相对较小，所以危害也相对较小。附表分别表示了6种状态下带电插拔电路模型的电路特征。

其中状态1、2、4可能会引起器件损伤。对于状态5、6，如果器件在上电后，不能保证输出为三态，还是可能引起信号冲突；若待插板卡容性负载较大，瞬间充电电流还是会很大，仍可能引起背板电压波动。

表中状态3、5、6所标注的情况，在带电插拔过程引起器件损伤的可能性较小，因为在这几种情况中，要么瞬间充电电压较小，要么在瞬间充电过程中，接口芯片的负载较小，没有浪涌电流经过保护二极管。

经过上面的分析，为了减少带电插拔对接口器件的损害，我们总结出如下几条较为普遍的原则：

1、采用带电插拔保护电路（电源缓启电路）。从上述定性分析中，我们可以发现，解决带电插拔不利影响的根本措施是减少浪涌电流，浪涌电流是由于待插板卡的容性负载在上电瞬间充电引起的。由公式：I=C(dv/dt)可知，上电时间直接决定了浪涌电流的大小。在一般的带电插拔过程中，充电电压相当于一个阶越激励，dv/dt极大。所以如果我们采用电源缓启电路，减小dv/dt的值，就可以非常有效地减少浪涌电流的值，从而最大程度地减少带电插拔带来的负面影响。

2、保证地、信号线、电源（电压值由低到高）的依次上电顺序。板卡和主机电源连接的插座采用带电插拔专用插座（地线插针比电源插针长），它从机械结构上保证了地、信号线和电源之间的上电顺序。

3、采用IOFF功能的接口器件，阻断D1、D3充电通道，排除信号线电平对插拔的不利影响。

4、接口器件具有PU3S功能，同时控制使能端，使器件在上电后，输出管脚处于高阻状态，避免信号线冲突。

带电插拔保护电路

下面我们详细介绍缓启电路的工作原理和电路中各个关键器件参数之间的关系，为不同场合的实际应用提供参考。图4为实际中经常使用的缓启电路。

缓启电路的一些应用要点如下：

保险丝F1的作用是限制最大电流，一般采用慢融保险丝，保险丝的额定电流是板卡最大工作电流的2~3倍。

插入瞬间，电源电压首先对电容C1充电，当Q1的栅源电压达到开启电压时，Q1的源漏极间开始导通，利用MOSFET器件在可调电阻区的转移特性（输入栅源电压和输出源漏极电流之间近似线性关系），随着C1电容的充电，Q1的栅源电压提高，源漏极间电流按一定的斜率缓慢增大，从而达到缓启的目的。同理，拔出时，C1和R1组成放电回路，通过控制栅源电压的下降速率来达到缓慢掉电，减少振荡的目的。充电常数τ=(R1/R2)C1,放电常数τ=R1R2。通过调整阻容器件的参数可以改变带电插拔保护电路的上电、掉电时间。

R3电阻可以吸收振荡能量，防止Q1发生自激振荡。

当MOSFET漏极接有差模电感（用于电压转换）时，掉电时会产生一个瞬间的反向高电压。这个瞬间高电压通过反向二极管D2泄放。

Q1后面的电容C2主要起到滤波作用，在实际电路中，一般采用П型滤波电路，滤除电源纹波，改善电源质量。

对上述电路采用PSpice工具仿真，得到如图5所示的上电波形，通过调整R1、R2、C3的参数可以改变缓启时间，以适应实际使用的需要。其中垂直上升线条表示＋5V系统电压，缓慢上升线条表示经过带电插拔保护电路获得的Vcc板卡电压。

图6所示带电插拔保护电路中，关键器件是MOSFET，MOSFET器件的最大饱和电流应该是板卡最大工作电流的1.5～2倍，最大工作电流可以根据板卡供电电压和功率计算。

带电插拔保护电路由于控制了带电插拔过程中板卡的上电速率，限制了板卡容性负载充电电流，避免了这个浪涌电流给系统带来的系统电源波动、器件毁坏、连接器打火等问题。但是由于缓启电路缓启时间较长，信号线可能会在电源有效前接触，引起信号线干扰。电源缓启只能抑制瞬态电流，在某些接口器件使用不当或地线结构不合理的情况下仍然有可能烧毁器件，这应该引起我们的注意。

结束语

不同级别的可靠性要求对带电插拔安全有不同程度的标准。带电插拔不仅要求不损坏器件，不影响系统电源，进一步地还会要求不影响背板信号传输、静电泄放、备份设备间的安全倒换等等。因此要避免带电插拔问题，除了上文提到的一般原则外，还会涉及到接口器件特性、EMC、软件设计甚至系统设计等诸多方面。