用PLD實現(xiàn)高可用性系統(tǒng)的熱插拔和加電順序保護

　　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)的宕機時間為零，可以將系統(tǒng)設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)展的半導體工藝技術使支持熱插拔的設計更趨復雜，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標準需要不同的電平。當前的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、更高復雜程度以及成本降低，在系統(tǒng)級可編程芯片(SoPC)應用中，可編程邏輯器件(PLD)在市場上得到了廣泛的認同。FPGA已經(jīng)融入到通訊、網(wǎng)絡和存儲應用的數(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，也要求可以進行熱插拔。

　　要支持熱插拔，PLD器件的設計必須滿足以下要求：

　　1. 器件在加電以前可以被驅動，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)或關電過程中關斷輸出緩沖。當VCCINT或VCCIO低于閾值電壓時，熱插拔電路都會產(chǎn)生一個內部的HOTSCKT信號，HOTSCKT信號將關斷輸出緩沖，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VCC非常緩慢地升高時，在發(fā)出加電復位(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，因為在這樣低的VCC電壓下，輸出緩沖不會從熱插拔電路設定的狀態(tài)翻轉。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輸出驅動器提供內在的靜電釋放(ESD)保護。對于ESD電壓的沖擊需要考慮兩種情形：正電壓沖擊和負電壓沖擊。當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襯底之間的結擊穿，然后N+(漏極)/P-襯底/N+ (源極)內在雙極晶體管導通，這樣將ESD電流從I/O腳到GND釋放。當I/O腳的電壓小于-0.7V(0.7V為二極管的壓降)受到負的ESD沖擊時，內部的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)絡和存儲設備的要求，這些設備在它們的背板結構中采用了串行數(shù)據(jù)傳輸技術。嵌入收發(fā)器支持熱插拔的特點很關鍵，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，因此難于預測加電順序，要求預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)設計中加電的順序問題。這對于那些復雜的多電壓系統(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，先進的PLD能夠為那些需要多重電壓和熱切換功能的應用提供簡單的支持和加電順序保護。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。