帶電插拔技術建模分析

劉家欣　肖大雛　姜　勝

[摘 要] 本文通過建立帶電插拔電路模型，分析帶電插拔過程中引起損害的原因，給出基本的帶電插拔防護原則，最后介紹帶電插拔保護電路的原理及應用方案。

前言

帶電插拔(Hot Plug)指電子設備在帶電運行狀態下，將板卡從相應的槽位上拔出或插入的操作。帶電插拔技術主要應用于設備需要不間斷運行的場合，在設備帶電運行狀態下完成相應的擴容、升級、維護等操作。典型應用于磁盤冗余陣列（RAID）、主控機柜（PLC）、網絡設備（ROUTER）等。帶電插拔技術對現代大、中型電子設備的可靠性設計非常重要。

在現代大、中型電子設備中，生產、監控過程的連續性要求設備的維護、擴容等操作不能影響正常運行。因此帶電插拔技術在大、中型電子設備中是必不可少的。目前小型電子設備中大量普及的即插即用概念也非常倚重帶電插拔技術。該技術的實現，對硬件設計甚至軟件設計都提出了較高的要求。

帶電插拔技術的基本要求是：板卡在帶電插拔操作中不能對工作中的設備和本板卡產生不可抑制的影響，包括系統重啟，其它板卡損壞、重啟，背板和本板損壞等，甚至要求不產生信號沖突，接口芯片不產生積累性電損傷等。

板卡插入主機時，主機已經處于穩定的工作狀態，所有容性負載均已充電。而待插的板卡是不帶電的，板卡上的容性負載沒有充電。在熱插入過程中，待插板卡上的電容瞬間充電。這個充電過程將在插入的瞬間從系統電源吸納大量的電流，導致系統電壓瞬間跌落，影響其它板卡的正常運行。在電源線接觸的瞬間，系統電源的輸出電阻和待插板卡的電容組成RC充電通道，由于電源的輸出電阻很小，浪涌電流非常大。在拔出板卡的過程中，板卡上的旁路電容放電，和背板之間形成一個低阻通道，也會產生瞬間大電流。浪涌電流攜帶大量的能量，會毀壞接口器件、連接器和金屬連線。

如何避免帶電插拔帶來的不利影響呢？我們嘗試建立帶電插拔電路模型，通過電路模型模擬帶電插拔瞬間的電路特征，找到能夠避免帶電插拔不利影響的一些基本原則。

帶電插拔電路模型的建立

帶電插拔技術是隨著大規模CMOS工藝器件的運用而發展起來的，所以我們也針對大規模使用的CMOS工藝器件建立帶電插拔電路模型。CMOS工藝器件的基本構件是開關管和反相器，反相器擴展成各種基本邏輯門，進而形成相應的邏輯電路。當前運用較廣的是雙阱工藝COMS器件。其剖面示意圖如圖1 所示。

根據半導體知識可知，P+/N+結的單向導通性可以等效為一個二極管,分析雙阱CMOS工藝器件的剖面圖,我們可以得到CMOS工藝器件的輸出、輸入管腳的等效電路模型，模型如圖2所示。其中R1、R2為限流電阻，D1、D2、D3、D4組成保護電路（防止ESD和過電壓），保護芯片內部電路。

根據實際的帶電插拔過程，帶電插拔電路模型的建立基于以下3條基本假設：

1、帶電插拔時，插拔端口兩端的接口器件都是CMOS工藝器件。

2、電源、地和信號線在帶電插拔過程中接觸的先后順序是隨機的。

3、信號線上的邏輯電平在插拔過程中的電平狀態也是隨機的。

根據上述3條假設我們得到如圖3所示電路模型，其中板卡1為待插拔板卡，板卡2為已處于正常工作狀態的板卡，C1、C2表示板卡上的充電電容，R1、R2表示板卡的負載。圖中我們僅以待插拔板卡上接口芯片的輸出管腳為例描述帶電插拔時的充電過程。

帶電插拔電路模型分析

根據模型建立的前提條件，實際插拔過程中可能出現6種狀態。狀態1：電源、信號線首先接觸，地最后接觸，信號線電平為低電平（L），充電電壓為VCC－L,浪涌電流對C1充電，充電電流流經路徑如圖3中帶箭頭的折線所示。由于充電電壓較大，U2和D2的負載很大，浪涌電流很容易損傷接口器件。狀態2：電源、信號線首先接觸，地最后接觸，信號線電平為高電平（H）,充電電壓為VCC－H,充電電流的流經路徑和狀態1是一樣的，但是由于充電電壓相對較小，所以危害也相對較小。附表分別表示了6種狀態下帶電插拔電路模型的電路特征。

其中狀態1、2、4可能會引起器件損傷。對于狀態5、6，如果器件在上電后，不能保證輸出為三態，還是可能引起信號沖突；若待插板卡容性負載較大，瞬間充電電流還是會很大，仍可能引起背板電壓波動。

表中狀態3、5、6所標注的情況，在帶電插拔過程引起器件損傷的可能性較小，因為在這幾種情況中，要么瞬間充電電壓較小，要么在瞬間充電過程中，接口芯片的負載較小，沒有浪涌電流經過保護二極管。

經過上面的分析，為了減少帶電插拔對接口器件的損害，我們總結出如下幾條較為普遍的原則：

1、采用帶電插拔保護電路（電源緩啟電路）。從上述定性分析中，我們可以發現，解決帶電插拔不利影響的根本措施是減少浪涌電流，浪涌電流是由于待插板卡的容性負載在上電瞬間充電引起的。由公式：I=C(dv/dt)可知，上電時間直接決定了浪涌電流的大小。在一般的帶電插拔過程中，充電電壓相當于一個階越激勵，dv/dt極大。所以如果我們采用電源緩啟電路，減小dv/dt的值，就可以非常有效地減少浪涌電流的值，從而最大程度地減少帶電插拔帶來的負面影響。

2、保證地、信號線、電源（電壓值由低到高）的依次上電順序。板卡和主機電源連接的插座采用帶電插拔專用插座（地線插針比電源插針長），它從機械結構上保證了地、信號線和電源之間的上電順序。

3、采用IOFF功能的接口器件，阻斷D1、D3充電通道，排除信號線電平對插拔的不利影響。

4、接口器件具有PU3S功能，同時控制使能端，使器件在上電后，輸出管腳處于高阻狀態，避免信號線沖突。

帶電插拔保護電路

下面我們詳細介紹緩啟電路的工作原理和電路中各個關鍵器件參數之間的關系，為不同場合的實際應用提供參考。圖4為實際中經常使用的緩啟電路。

緩啟電路的一些應用要點如下：

保險絲F1的作用是限制最大電流，一般采用慢融保險絲，保險絲的額定電流是板卡最大工作電流的2~3倍。

插入瞬間，電源電壓首先對電容C1充電，當Q1的柵源電壓達到開啟電壓時，Q1的源漏極間開始導通，利用MOSFET器件在可調電阻區的轉移特性（輸入柵源電壓和輸出源漏極電流之間近似線性關系），隨著C1電容的充電，Q1的柵源電壓提高，源漏極間電流按一定的斜率緩慢增大，從而達到緩啟的目的。同理，拔出時，C1和R1組成放電回路，通過控制柵源電壓的下降速率來達到緩慢掉電，減少振蕩的目的。充電常數τ=(R1/R2)C1,放電常數τ=R1R2。通過調整阻容器件的參數可以改變帶電插拔保護電路的上電、掉電時間。

R3電阻可以吸收振蕩能量，防止Q1發生自激振蕩。

當MOSFET漏極接有差模電感（用于電壓轉換）時，掉電時會產生一個瞬間的反向高電壓。這個瞬間高電壓通過反向二極管D2泄放。

Q1后面的電容C2主要起到濾波作用，在實際電路中，一般采用П型濾波電路，濾除電源紋波，改善電源質量。

對上述電路采用PSpice工具仿真，得到如圖5所示的上電波形，通過調整R1、R2、C3的參數可以改變緩啟時間，以適應實際使用的需要。其中垂直上升線條表示＋5V系統電壓，緩慢上升線條表示經過帶電插拔保護電路獲得的Vcc板卡電壓。

圖6所示帶電插拔保護電路中，關鍵外圍器件是MOSFET，MOSFET器件的最大飽和電流應該是板卡最大工作電流的1.5～2倍，最大工作電流可以根據板卡供電電壓和功率計算。

帶電插拔保護電路由于控制了帶電插拔過程中板卡的上電速率，限制了板卡容性負載充電電流，避免了這個浪涌電流給系統帶來的系統電源波動、器件毀壞、連接器打火等問題。但是由于緩啟電路緩啟時間較長，信號線可能會在電源有效前接觸，引起信號線干擾。電源緩啟只能抑制瞬態電流，在某些接口器件使用不當或地線結構不合理的情況下仍然有可能燒毀器件，這應該引起我們的注意。

結束語

不同級別的可靠性要求對帶電插拔安全有不同程度的標準。帶電插拔不僅要求不損壞器件，不影響系統電源，進一步地還會要求不影響背板信號傳輸、靜電泄放、備份設備間的安全倒換等等。因此要避免帶電插拔問題，除了上文提到的一般原則外，還會涉及到接口器件特性、EMC、軟件設計甚至系統設計等諸多方面。