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(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(cè)試、故障排除或信號(hào)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(duì)災(zāi)難的及時(shí)恢復(fù)能力等。

其中一個(gè)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(gè)服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行插入和拔出組件，或會(huì)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(duì)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(huì)引發(fā)閂鎖效應(yīng)。如果沒有采取即時(shí)的相應(yīng)措施，這種較高的電位差將對(duì)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(shí)，或會(huì)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(shí)，由于單板上的電容并未充電，浪涌電流會(huì)將在短時(shí)間內(nèi)從電源系統(tǒng)流入電容。這浪涌電流瞬間下降時(shí)會(huì)拉低總線電平，導(dǎo)致系統(tǒng)錯(cuò)誤復(fù)位、閂鎖效應(yīng)，更嚴(yán)重會(huì)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(huì)發(fā)生兩個(gè)問題——短路和電弧。

• 在熱插拔時(shí)，組件和輸入和輸出引腳或會(huì)損壞。特別在連接電路板時(shí)，引腳以錯(cuò)誤的順序連接，會(huì)導(dǎo)致短路，或會(huì)直接損壞系統(tǒng)。

• 當(dāng)連接器插入或拔出時(shí)或會(huì)產(chǎn)生電弧，并且在連接器的插針和電氣有源組件之間會(huì)產(chǎn)生放電。這會(huì)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(shí)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(huì)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(jì)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(jì)的。先通后斷連接器采用特定于應(yīng)用的接地設(shè)計(jì)，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(shí)，使用TE的滑軌電源連接器能夠讓服務(wù)器在帶電運(yùn)行中實(shí)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(hào)而不是一次連接/斷開全部信號(hào)的應(yīng)用 (例如熱插拔)，常用于電源或信號(hào)連接之前需確保建立接地路徑的長(zhǎng)場(chǎng)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(cuò)位補(bǔ)償以及實(shí)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(chǔ)設(shè)備、硬盤驅(qū)動(dòng)器和硬盤驅(qū)動(dòng)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(xiàng)重要的功能：

• 當(dāng)電路板插入時(shí)，它可限制具有潛在破壞性的浪涌電流。

• 它可起一個(gè)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(zhǎng)時(shí)間。

熱插拔控制器可以為整個(gè)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(huì)損壞數(shù)據(jù)和時(shí)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(shí)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(shí)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(gè)電路斷路器的作用。如果TCA4307檢測(cè)到 SDAOUT 或 SCLOUT 處于低電平約40毫秒，它會(huì)自動(dòng)斷開總線。一旦總線斷開，該器件會(huì)在SCLOUT上自動(dòng)生成多達(dá)16個(gè)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(shí)，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(shí)，TCA4307恢復(fù)正常工作。 它還包括一個(gè)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(shí)，SDAIN和SCLIN連接到SDAOUT和SCLOUT。 當(dāng)兩端斷開時(shí)，READY為低電平。

熱插拔評(píng)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(píng)估板，如:

• ADI 的評(píng)估板

• Renesas 的評(píng)估板

• TI的評(píng)估板

• Vicor 的評(píng)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(duì)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(jì)電子系統(tǒng)時(shí)，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(jì)成果。