電信系統(tǒng)的熱插拔設(shè)計(jì):避免拼湊、支持高效設(shè)計(jì)

本應(yīng)用筆記討論了熱插拔電路在常備系統(tǒng)中的重要作用和電路優(yōu)化，本文以電信系統(tǒng)作為需要插入背板的微處理器板卡的例子。“始終保持有效運(yùn)轉(zhuǎn)”的系統(tǒng)定義為不會(huì)因?yàn)榫S護(hù)或整修而斷電的系統(tǒng)，本文涉及的“5個(gè)9”高度可靠系統(tǒng)幾乎意味著零關(guān)斷。如此可靠運(yùn)行的設(shè)備必須依靠熱插拔電路，在不關(guān)閉整體系統(tǒng)電源的前提下插入或拔出維護(hù)板卡。本文詳細(xì)介紹了熱插拔電路，對(duì)一些拼湊而成的熱插拔方案加以分析，說(shuō)明了這些方法中存在的缺陷。本文還闡述了新一代高集成度控制器，這些熱插拔控制器從根本上克服了早期設(shè)計(jì)的問(wèn)題。

類似文章于2010年7月19日發(fā)表在Planet Analog網(wǎng)站。

引言

與其它復(fù)雜的多卡系統(tǒng)類似，電信系統(tǒng)是由插入背板的微處理器板卡系統(tǒng)的集合。這類“始終保持有效運(yùn)轉(zhuǎn)”的系統(tǒng)通常包括：專用交換機(jī)(PBX)、蜂窩基站(BTS)、刀片式中心(BCT)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信和存儲(chǔ)系統(tǒng)。系統(tǒng)一旦上電運(yùn)行，將不允許斷電中止服務(wù)或進(jìn)行維護(hù)。

通常用“5個(gè)9”描述這些系統(tǒng)，即99.999%地保持有效運(yùn)轉(zhuǎn)，這意味著幾乎為零的關(guān)斷時(shí)間。對(duì)于工作在這一級(jí)別的系統(tǒng)，必須允許在保持整個(gè)系統(tǒng)工作的狀態(tài)下插入或拔出板卡，以便對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)、升級(jí)和配置，有時(shí)甚至是在不影響系統(tǒng)工作的狀態(tài)下進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展。

本文討論了板級(jí)工程師目前在設(shè)計(jì)熱插拔電路時(shí)所采取的一些拼湊式方案，并在隨后探討了幾種新一代熱插拔控制的創(chuàng)新方案。“熱插拔”定義中重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了電壓瞬變，文中介紹了拼湊式熱插拔控制方案的一些負(fù)面影響。文章最后介紹了近期推出的熱插拔控制創(chuàng)新技術(shù)。

熱插拔事件：理解瞬變

圖1. 多PCB基板系統(tǒng)

熱插拔事件：板卡插入、拔出時(shí)產(chǎn)生的浪涌電流尖峰

熱插拔表示在全速運(yùn)轉(zhuǎn)、沒(méi)有斷電的系統(tǒng)中插入或拔出板卡、電纜或其它裝置。利用合理的設(shè)計(jì)，帶電插入板卡時(shí)不會(huì)在電源或系統(tǒng)的輸入、輸出信號(hào)上產(chǎn)生任何干擾。

當(dāng)一個(gè)背板插入所有板卡并保持全速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)(圖1)，背板上的板卡均處于帶電狀態(tài)。這意味著每塊板卡的電源輸入端都有一個(gè)大電容，而且這個(gè)旁路電容處于完全充電狀態(tài)。電源輸入端的大電容為電源設(shè)計(jì)提供了個(gè)重要作用：為板卡的下游電路提供穩(wěn)定的供電電壓，消除旁路電容上的擾動(dòng)以滿足負(fù)載的瞬態(tài)供電需求。

如果將機(jī)架上尚未充電的一塊板卡插入帶電背板時(shí)，將會(huì)發(fā)生幾種情況。參考圖2，在新插入并開(kāi)始上電的PCB上，用于旁路和濾波存儲(chǔ)的大電容將呈現(xiàn)瞬間短路并開(kāi)始充電。充電電荷來(lái)自于帶電系統(tǒng)，電容C1、C2和C3 (這些其它板卡上已經(jīng)充電的電容將開(kāi)始放電)。這種不受控制的電容充電(或放電)將對(duì)新插入板卡上的電容注入較大的浪涌電流。浪涌電流的幅度可能在極短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到數(shù)百安培，取決于實(shí)際系統(tǒng)。

隨著電容快速充電，它們將表現(xiàn)為短路狀態(tài)，瞬間吸收較大的電流。圖3給出了注入電解電容的浪涌電流的波形圖，以及電容充電時(shí)兩端的電壓。從曲線圖可以看出，電流峰值達(dá)到了9.44A，從系統(tǒng)吸取較大功率，這將導(dǎo)致背板系統(tǒng)的電容放電。從而使電源電壓跌落，可能造成相鄰板卡復(fù)位，引入數(shù)據(jù)傳輸故障或嚴(yán)重干擾其它系統(tǒng)的運(yùn)行。

瞬間浪涌電流的幅度是負(fù)載(早供電)電容的函數(shù)，負(fù)載電容越大(并且，ESL和ESR越低)，峰值浪涌電流越大。


圖2. 電路板插入順序和上電時(shí)的浪涌電流


圖3. 注入電解電容的浪涌電流和電容充電時(shí)兩端的電壓

電壓瞬變的影響可能導(dǎo)致系統(tǒng)失效

任何系統(tǒng)中，這些背板的電源通常提供電流限制。熱插拔過(guò)程中所產(chǎn)生的電壓瞬變可能對(duì)已插入背板的板卡造成嚴(yán)重威脅。浪涌現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致背板電源的跌落，而背板電源總線的電壓跌落和/或電源上的脈沖干擾可能造成系統(tǒng)意外復(fù)位。不受限制的浪涌電流還會(huì)導(dǎo)致元器件損壞：板卡旁路電容被燒毀、印刷電路板(PCB)引線被燒斷、背板連接器引腳和/或保險(xiǎn)絲被燒斷(這可能是受到破壞的主要部件)。

背板電源總線的跌落會(huì)在要插入系統(tǒng)的板卡電源上產(chǎn)生擾動(dòng)或脈沖干擾，也會(huì)導(dǎo)致相鄰板卡產(chǎn)生復(fù)位或影響背板與卡之間的通信(造成通信錯(cuò)誤)。背板通常采用差分總線(LVDS/LVPECL/光纖通道/其它)，必須滿足信號(hào)規(guī)格以確保通信正常。熱插拔期間由于V_CC電源電壓和地電平的變化，會(huì)在信號(hào)總線上引入共模噪聲。考慮到這一潛在問(wèn)題，熱插拔控制電路必須采取保護(hù)措施，避免在背板上產(chǎn)生強(qiáng)噪聲而導(dǎo)致總線的數(shù)據(jù)通信錯(cuò)誤。

另外一個(gè)容易忽略的問(wèn)題是系統(tǒng)的長(zhǎng)期可靠性，設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)臒岵灏伪Ｗo(hù)電路會(huì)使電路板上的元器件在長(zhǎng)期受到熱插拔事件的沖擊下而損壞。本質(zhì)上講，每次熱插拔操作都類似于從硅片上“抽取”綁定線，這種周而復(fù)始的操作最終會(huì)引起毀滅性的破壞。解決這一問(wèn)題的有效途徑是對(duì)熱插拔板卡的浪涌電流峰值加以控制。