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)
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
采用熱敏電阻方案時(shí)，需要考慮作用在熱敏電阻上的瞬態(tài)峰值功率。設(shè)計(jì)人員必須考慮電路板環(huán)境溫度的變化(覆銅面積和氣流)以及熱敏電阻自身的因素，如果超出其額定電流和/或電壓，則會(huì)導(dǎo)致器件損壞。
對(duì)于熱敏電阻方案需要考慮幾個(gè)因素，例如，在電信系統(tǒng)中，一旦系統(tǒng)交付運(yùn)營(yíng)商使用，將不允許更改或重新設(shè)計(jì)板卡。由此，熱敏電阻可能會(huì)引發(fā)長(zhǎng)期可靠性問(wèn)題，設(shè)計(jì)人員必須考慮負(fù)溫度系數(shù)(NTC)的反作用時(shí)間。另外一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是，當(dāng)板卡反復(fù)插入或拔出背板時(shí)，熱敏電阻可能沒(méi)有足夠的時(shí)間冷卻，從而在隨后的帶電插入事件中不能有效地限制浪涌電流。最后，熱敏電阻的特性參數(shù)會(huì)隨時(shí)間變化，這將導(dǎo)致系統(tǒng)的抗沖擊能力下降。
總而言之，該方案在需要根據(jù)溫度變化進(jìn)行調(diào)整的系統(tǒng)中能夠提供良好特性(例如，LCD偏置電源)，限制浪涌電流。但是，基于熱敏電阻的熱插拔控制器不能滿足系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠性的需求。
本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/179820.htm
分離式熱插拔電路
實(shí)現(xiàn)浪涌電流控制的另一渠道是利用幾個(gè)分離元件(顯然，多數(shù)工程師不會(huì)考慮拼湊式方案)。通常，利用分離電路配合獨(dú)立的MOSFET、功率檢測(cè)電阻及其它偏置元件實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)、斷路器和電流控制功能。分離式熱插拔電路設(shè)計(jì)非常復(fù)雜，而且很難調(diào)試(增加了設(shè)計(jì)和研發(fā)時(shí)間)，而且成本較高、占用較大的PCB面積。
重要的是，分離方案中，無(wú)源元件的寄生參數(shù)會(huì)對(duì)熱插拔電路造成較大影響。設(shè)計(jì)人員必須嚴(yán)格控制這些因素。電路中，利用電阻和電容控制電源的上升和下降時(shí)間、電流與電流及其它檢測(cè)條件。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須嚴(yán)格關(guān)注寄生參數(shù)對(duì)電路工作狀況的影響。
討論了上述三種拼湊式熱插拔方案后，我們還有更好的選擇。事實(shí)上，最好的解決方案是采用完全集成的單芯片熱插拔控制器，下一節(jié)將討論業(yè)內(nèi)最具創(chuàng)新的熱插拔方案，包括MAX5961熱插拔控制器。
浪涌峰值電流控制
更高集成度
利用一個(gè)電路限制插入板卡的浪涌電流、提供過(guò)流和負(fù)載瞬變保護(hù)、降低系統(tǒng)失效點(diǎn)，工程師可以嚴(yán)格控制熱插拔保護(hù)板卡的長(zhǎng)期可靠性。市場(chǎng)上可以找到高度集成的熱插拔控制IC，有些控制器IC不需要外接檢流電阻。許多IC可以簡(jiǎn)單、高效地實(shí)現(xiàn)熱插拔保護(hù)功能，例如，在單一芯片內(nèi)支持下列功能：UV和OV保護(hù)；過(guò)載時(shí)利用恒流源實(shí)現(xiàn)有源電流限制；電源電壓跌落之前斷開(kāi)故障負(fù)載；利用外部驅(qū)動(dòng)FET構(gòu)成“理想二極管”提供反向電流保護(hù)；多電壓排序；發(fā)生負(fù)載故障后自動(dòng)重試。
幾家模擬半導(dǎo)體公司已經(jīng)推出了各種方案，滿足不同系統(tǒng)的需求。新一代熱插拔IC集成了全面的模擬和數(shù)字功能，例如：板卡插入并完全上電后，可連續(xù)監(jiān)測(cè)電源電流。連續(xù)監(jiān)測(cè)功能可以在板卡正常工作期間繼續(xù)提供短路和過(guò)流保護(hù)，還可以幫助識(shí)別故障板卡，在系統(tǒng)完全失效或意外關(guān)閉之前撤掉故障板卡。
集成ADC的重要性
Maxim、Analog Devices和Linear Technology®均可提供熱插拔方案，器件內(nèi)部提供數(shù)字故障和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)記錄。近期出現(xiàn)的一個(gè)新名詞是“數(shù)字熱插拔”IC，代表集成了電壓和電流監(jiān)測(cè)ADC的熱插拔方案。表1給出了不同供應(yīng)商所提供的熱插拔IC的性能比較，表中未列出MAX5967，該器件的引腳和功能完全兼容于LTC4215。
表1. 數(shù)字熱插拔控制IC對(duì)比
| LTC4215 | ADM1175 | MAX5961 | MAX5970 | |
| ADC Resolution (bits) | 2 | 12 | 10 | 10 |
| Conversion Rate (Hz) | 10 | Not Specified | 10k | 10k |
| Automatic or Polled? | Auto | Polled | Auto | Auto |
| History Depth | 1 sample | 1 sample | 50 samples | 50 samples |
| INL | 0.2 LSB, 0.5 LSB | Not Specified | 0.5 LSB | 0.5 LSB |
| Full-Scale Error (voltage, current) | ±5.5 LSB, ±5.0 LSB | ±60.0 LSB, ±100.0 LSB | ±10 LSB, ±30.0 LSB | ±10 LSB, ±30.0 LSB |
| Interface | I²C/SMBus™ | I²C | I²C/SMBus | I²C/SMBus |
| High-Speed Voltage (min, max) | 2.9V, 15V | 3.15V, 13.2V | 0V, 16V | 0V, 16V |
| GATE Pullup Current (µA) | 20 | 12 | 5 | 5 |
| GATE Pulldown Current, Normal (mA) | 1 | 2 | 500 | 500 |
| Slow-Trip Circuit-Breaker Threshold (mV) | 25 | 85 | 12.5, 25, 50 (and 8-bit programmable) | 12.5, 25, 50 (and 8-bit programmable) |
| Fast-Trip Circuit-Breaker Threshold | — | 115mV | 125%, 150%, 175%, 200% of programmed slow trip | 125%, 150%, 175%, 200% of programmed slow trip |
| Load UV Protection | Analog | — | 2 each, 10-bit programmable | 2 each, 10-bit programmable |
| Load OV Protection | — | — | 2 each, 10-bit programmable | 2 each, 10-bit programmable |
熱插拔控制IC中嵌入ADC，有助于擴(kuò)展器件的監(jiān)測(cè)能力并可報(bào)告電源狀態(tài)以及引起故障的一些關(guān)鍵因素。MAX5961還可以存儲(chǔ)幾個(gè)毫秒的電壓、電流測(cè)試數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以用于后續(xù)的故障診斷和分析。
集成ADC還為OEM廠商創(chuàng)造了機(jī)會(huì)，能夠使其產(chǎn)品更具競(jìng)爭(zhēng)力。利用先進(jìn)的電路板管理技術(shù)提供系統(tǒng)增值功能：
- 信息采集：設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)當(dāng)前收集的系統(tǒng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)構(gòu)建下一代系統(tǒng)，優(yōu)化效率。
- 連續(xù)監(jiān)控：對(duì)于這些需要始終保持運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的系統(tǒng)，正常工作期間可能需要連續(xù)監(jiān)測(cè)其供電電源的溫度，以記錄一些對(duì)應(yīng)于功率等級(jí)的“關(guān)鍵統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)”。這些數(shù)據(jù)有助于在今后對(duì)一些故障狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)。
- 功率預(yù)算：通過(guò)讀取以往或當(dāng)前故障條件的數(shù)據(jù)，可以判斷是否出現(xiàn)嵌入式板卡的功耗超出了其總功率預(yù)算的份額。這種監(jiān)測(cè)對(duì)于早期識(shí)別不正常的工作條件、減緩甚至消除對(duì)系統(tǒng)其余電路的影響很有幫助。
通過(guò)I²C連接系統(tǒng)微處理器
板卡微處理器可以通過(guò)熱插拔控制器的I²C接口采集一些關(guān)鍵的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。通過(guò)該接口可以配置熱插拔控制器的工作模式，工作在閉鎖或連續(xù)重試狀態(tài)；系統(tǒng)管理固件可以據(jù)此識(shí)別板卡的問(wèn)題。該接口也是主板向維護(hù)人員發(fā)出報(bào)警信號(hào)的渠道，其作用與汽車(chē)儀表盤(pán)上的引擎故障指示燈類(lèi)似。
結(jié)論
熱插拔控制器對(duì)于那些始終保持運(yùn)行狀態(tài)的系統(tǒng)是不可或缺的保護(hù)電路。發(fā)生帶電插拔事件后，跟蹤浪涌電流引起的PCB故障也是非常棘手的設(shè)計(jì)任務(wù)。利用那些拼湊起來(lái)的熱插拔方案解決故障問(wèn)題或者只是很好地解決了其中部分問(wèn)題，對(duì)于系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性而言存在一定隱患，也是工程師無(wú)法預(yù)測(cè)的。
目前，高度集成的熱插拔方案能夠確保系統(tǒng)在帶電插拔的操作中不會(huì)引起數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤或?qū)е孪到y(tǒng)已插入板卡的復(fù)位。這種方案對(duì)于保持系統(tǒng)的長(zhǎng)期可靠性很有幫助，能夠滿足、甚至優(yōu)于“5個(gè)9”的設(shè)計(jì)目標(biāo)。
評(píng)論