熱插拔真的安全嗎？本文幫你解惑

熱插拔，即帶電插拔，主要發(fā)生在不關閉系統(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、冗余性和對災難的及時恢復能力等。

其中一個常見例子就是數(shù)據中心的電源可能發(fā)生故障，因此需要在不關閉整個服務器網絡的情況下維修或更換電源?？墒?，在仍然通電的情況下突然斷開電路的連接，如果一不小心進行插入和拔出組件，或會影響系統(tǒng)的正常工作，甚至會直接損壞系統(tǒng)。

熱插拔的危害

對不支持熱插拔的系統(tǒng)，如果本身設備可能存在較高電位差，當進行熱插拔，也許會引發(fā)閂鎖效應。如果沒有采取即時的相應措施，這種較高的電位差將對設備上的芯片構成危害。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，或會使設備內穩(wěn)定工作的板子也受靜電干擾。

還有，當單板插入設備時，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，導致系統(tǒng)錯誤復位、閂鎖效應，更嚴重會導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，會導致短路，或會直接損壞系統(tǒng)。

• 當連接器插入或拔出時或會產生電弧，并且在連接器的插針和電氣有源組件之間會產生放電。這會導致連接器殼體和端子的損壞，并在結構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備的情況下安全地連接，連接器生產商設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。

先通后斷連接器產品是以先通后斷設計的。先通后斷連接器采用特定于應用的接地設計，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75A的應用，無需在設備內布設體積龐大的電纜管理系統(tǒng)。由于電源和服務器直連，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到24Gb/s的新一代服務器。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固定機構等特征。這種連接器符合SATA標準，滿足垂直和直角配置需求，可用于服務器和存儲設備、硬盤驅動器和硬盤驅動器托架。

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行的插拔操作，提供了兩項重要的功能：

• 當電路板插入時，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、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)據和時鐘總線，適用于背板連接。TCA4307在 I/O 外設卡上，當發(fā)生熱插入事件時可將卡上的 I2C 設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預充電功能有助于限制外設卡 SDA/SCL 連接時潛在的浪涌電流。

圖 2：TCA4307 用于背板應用的原理

TCA4307也具有卡住總線恢復功能，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16個脈沖，嘗試將總線保持低電平來復位器件。

當I2C總線空閑時，可以通過將EN引腳設置為低電平來使TCA4307進入關斷模式，從而降低功耗。 當EN被拉高時，TCA4307恢復正常工作。 它還包括一個開漏 READY 輸出引腳，表示背板和卡側連接在一起。當READY為高電平時，SDAIN和SCLIN連接到SDAOUT和SCLOUT。 當兩端斷開時，READY為低電平。

熱插拔評估板

善用Digi-Key智能產品搜索，可以在Digi-Key網站內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

雖然熱插拔極大地方便了我們對電子產品的使用，但并不意味著任何電子產品都可以隨意插拔。 在設計電子系統(tǒng)時，確認產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品的便利，又能最大限度的保護我們的設計成果。