熱插拔的危害

對不支持熱插拔的系統，如果本身設備可能存在較高電位差，當進(jìn)行熱插拔，也許會(huì )引發(fā)閂鎖效應。如果沒(méi)有采取即時(shí)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(shí)，或會(huì )使設備內穩定工作的板子也受靜電干擾。

還有，當單板插入設備時(shí)，由于單板上的電容并未充電，浪涌電流會(huì )將在短時(shí)間內從電源系統流入電容。這浪涌電流瞬間下降時(shí)會(huì )拉低總線(xiàn)電平，導致系統錯誤復位、閂鎖效應，更嚴重會(huì )導致連接器和元器件燒掉。

除此之外，在熱插拔過(guò)程中可能會(huì )發(fā)生兩個(gè)問(wèn)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)，引腳以錯誤的順序連接，會(huì )導致短路，或會(huì )直接損壞系統。

當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，電弧的大小和持續時(shí)間取決于設備系統提供的功率。具有較高電壓和電流的系統所承受的電弧將大于具有較低電壓和電流的系統，但這并不意味著(zhù)在功率較低的系統中不會(huì )發(fā)生電弧，只是電弧不那么顯著(zhù)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(chǎn)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電源的連接。

先通后斷連接器產(chǎn)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(kāi)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)器在帶電運行中實(shí)現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(wú)需在設備內布設體積龐大的電纜管理系統。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(kāi)電信號而不是一次連接/斷開(kāi)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(cháng)場(chǎng)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(wù)器。29位的插座和插頭連接器具有熱插拔和盲插、連接器錯位補償以及實(shí)現可靠SMT連接的PCB固定機構等特征。這種連接器符合SATA標準，滿(mǎn)足垂直和直角配置需求，可用于服務(wù)器和存儲設備、硬盤(pán)驅動(dòng)器和硬盤(pán)驅動(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，提供了兩項重要的功能：

• 當電路板插入時(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(cháng)時(shí)間。

熱插拔控制器可以為整個(gè)系統提供連續保護、防止短路和過(guò)流故障。 

以TI的TCA4307為例——TCA4307 熱插拔 I2C 總線(xiàn)緩沖器支持將 I/O 卡插入帶電背板，而不會(huì )損壞數據和時(shí)鐘總線(xiàn)，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(shí)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(guò)程中，SDA 和 SCL 線(xiàn)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(shí)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(xiàn)恢復功能，起到一個(gè)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(huì )自動(dòng)斷開(kāi)總線(xiàn)。一旦總線(xiàn)斷開(kāi)，該器件會(huì )在SCLOUT上自動(dòng)生成多達16個(gè)脈沖，嘗試將總線(xiàn)保持低電平來(lái)復位器件。

當I2C總線(xiàn)空閑時(shí)，可以通過(guò)將EN引腳設置為低電平來(lái)使TCA4307進(jìn)入關(guān)斷模式，從而降低功耗。 當EN被拉高時(shí)，TCA4307恢復正常工作。 它還包括一個(gè)開(kāi)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(shí)，SDAIN和SCLIN連接到SDAOUT和SCLOUT。 當兩端斷開(kāi)時(shí)，READY為低電平。

熱插拔評估板

善用Digi-Key智能產(chǎn)品搜索，可以在Digi-Key網(wǎng)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

想了解Digi-Key智能產(chǎn)品搜索功能，可點(diǎn)擊這里查看。

本文小結

雖然熱插拔極大地方便了我們對電子產(chǎn)品的使用，但并不意味著(zhù)任何電子產(chǎn)品都可以隨意插拔。 在設計電子系統時(shí)，確認產(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我們的設計成果。