3、熱插拔導(dǎo)致的靜電問題及其防治 物質(zhì)都是由分子構(gòu)成，分子是由原子構(gòu)成，原子由帶負(fù)電荷的電子和帶正電荷的質(zhì)子構(gòu)成。在正常狀況下，一個(gè)原子的質(zhì)子數(shù)與電子數(shù)量相同，正負(fù)平衡，所以對(duì)外表現(xiàn)出不帶電的現(xiàn)象。 但是電子環(huán)繞于原子核周圍，一經(jīng)外力即脫離軌道，離開原來的原子A而侵入其他的原子B，A原子因減少電子數(shù)而帶有正電現(xiàn)象，稱為陽離子;B原子因增加電子數(shù)而呈帶負(fù)電現(xiàn)象，稱為陰離子。
造成不平衡電子分布的原因即是電子受外力而脫離軌道，這個(gè)外力包含各種能量(如動(dòng)能、位能、熱能、化學(xué)能等)在日常生活中，任何兩個(gè)不同材質(zhì)的物體接觸后再分離，即可產(chǎn)生靜電。 當(dāng)兩個(gè)不同的物體相互接觸時(shí)就會(huì)使得一個(gè)物體失去一些電荷如電子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體使其帶正電，而另一個(gè)物體得到一些剩余電子的物體而帶負(fù)電。若在分離的過程中電荷難以中和，電荷就會(huì)積累使物體帶上靜電。所以物體與其它物體接觸后分離就會(huì)帶上靜電。 通常在從一個(gè)物體上剝離一張塑料薄膜時(shí)就是一種典型的“接觸分離”起電，在日常生活中脫衣服產(chǎn)生的靜電也是“接觸分離”起電。固體、液體甚至氣體都會(huì)因接觸分離而帶上靜電。這是因?yàn)闅怏w也是由分子、原子組成，當(dāng)空氣流動(dòng)時(shí)分子、原子也會(huì)發(fā)生“接觸分離”而起電。我們都知道摩擦起電而很少聽說接觸起電。實(shí)質(zhì)上摩擦起電是一種接觸又分離的造成正負(fù)電荷不平衡的過程。摩擦是一個(gè)不斷接觸與分離的過程。因此摩擦起電實(shí)質(zhì)上是接觸分離起電。在日常生活，各類物體都可能由于移動(dòng)或摩擦而產(chǎn)生靜電。另一種常見的起電是感應(yīng)起電。當(dāng)帶電物體接近不帶電物體時(shí)會(huì)在不帶電的導(dǎo)體的兩端分別感應(yīng)出負(fù)電和正電。 兩個(gè)具有不同靜電電位的物體，由于直接接觸或靜電場(chǎng)感應(yīng)引起兩個(gè)物體間的靜電電荷轉(zhuǎn)移稱為靜電放電。如果帶電體是通過電子元器件來放電，就會(huì)給元器件帶來損傷，導(dǎo)致器件失效。1） 靜電無處不在，只要是絕緣體機(jī)就有可能帶靜電（比如我們常用的透明自封袋通常帶有500~2000V靜電。2） 靜電會(huì)帶來設(shè)備故障，器件損傷，必須要重視。
-
熱二次擊穿
-
金屬化層的熔融體擊穿
-
介質(zhì)擊穿
-
氣體的電弧放電
-
表面擊穿
仿真人體帶8kV靜電放電，放電3次；半導(dǎo)體內(nèi)部放大3000倍；
人體靜電可以摧毀任何一個(gè)常用半導(dǎo)體器件。 正如靜電定義中描述的兩個(gè)不同材質(zhì)的物體只要有接觸，就有靜電產(chǎn)生的可能。熱插拔中至少首先存在三個(gè)物體，人體、熱插拔單板、機(jī)箱背板，因此在熱插拔中靜電問題很容易出現(xiàn)。下面舉兩個(gè)最常見的例子： a）人體本身帶有靜電，而機(jī)箱已經(jīng)接地，熱插拔瞬間人體靜電電荷將經(jīng)熱插拔單板對(duì)機(jī)箱背部放電。 b）機(jī)箱背板帶有靜電電荷，人體也帶有靜電電荷，熱插拔瞬間人體靜電電荷與機(jī)箱靜電電荷在熱插拔系統(tǒng)中發(fā)生電荷重新分布的放電過程。 通過這些例子，我們分析發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)問題。 第一、由于熱插拔功能，原來不太需要關(guān)注靜電問題的機(jī)箱背板接口（內(nèi)部接口），成為必須討論靜電問題的接口。也就是說，背板接口的設(shè)計(jì)中防靜電設(shè)計(jì)是需要的，而背板通常存在著接口管腳數(shù)量多，功能復(fù)雜，器件防靜電能力低的問題。因此在背板接口部分增加防靜電設(shè)計(jì)將明顯加大單板設(shè)計(jì)難度和單板成本。 第二、如果人體和機(jī)箱以及熱插拔單板能夠良好接地，熱插拔中靜電問題完成可以避免。這個(gè)假設(shè)非常有意義，因?yàn)樗晒Φ谋荛_了第一條提到的單板設(shè)計(jì)難度和單板成本增加，只需要給機(jī)箱加上一個(gè)防靜電手鏈，然后在說明書中明確要求熱插拔操作時(shí)，操作員必須帶防靜電手環(huán)、或者帶防靜電手套。 但這只是個(gè)假設(shè)，如果客戶熱插拔時(shí)沒帶防靜電手鏈，并引發(fā)單板的靜電損傷，我們能要求客戶帶上靜電手環(huán)或者防靜電手套，如果客戶裸手拿單板，靜電導(dǎo)致壞板，我們需要進(jìn)行維修。因此如果希望通過設(shè)計(jì)解決熱插拔中的靜電問題，我們還需要有其他手段。 （4）針對(duì)熱插拔引發(fā)的靜電問題的設(shè)計(jì)對(duì)策 a）背板接口要做放電的設(shè)計(jì)，信號(hào)接口、電源接口添加防靜電器件（如TVS管）是備選方案。（一般來說我們對(duì)背板接口不做防靜電處理）。電路級(jí)ESD防護(hù)方法： 常用的放電器件有TVS，齊納二極管，壓敏電阻，氣體放電管等。如圖
齊納二極管（ Zener Diodes ，也稱穩(wěn)壓二極管 ） ：利用齊納二極管的反向擊穿特性可以保護(hù) ESD敏感器件。但是齊納二極管通常有幾十 pF 的電容，這對(duì)于高速信號(hào)（例如 500MHz）而言，會(huì)引起信號(hào)畸變。齊納二極管對(duì)電源上的浪涌也有很好的吸收作用。 瞬變電壓消除器 TVS(Transient Voltage Suppressor)：TVS 是一種固態(tài)二極管，專門用于防止 ESD 瞬態(tài)電壓破壞敏感的半導(dǎo)體器件。與傳統(tǒng)的齊納二極管相比， TVS 二極管 P/N 結(jié)面積更大，這一結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)使 TVS 具有更強(qiáng)的高壓承受能力，同時(shí)也降低了電壓截止率，因而對(duì)于保護(hù)手持設(shè)備低工作電壓回路的安全具有更好效果。
TVS二極管的瞬態(tài)功率和瞬態(tài)電流性能與結(jié)的面積成正比。該二極管的結(jié)具有較大的截面積，可以處理閃電和 ESD所引起的高瞬態(tài)電流。TVS也會(huì)有結(jié)電容，通常0.3個(gè)pF到幾十個(gè)pF。TVS有單極性的和雙極性的，使用時(shí)要注意。手機(jī)上用的TVS大約0.01$，低容值的約2-3分$。
多層金屬氧化物結(jié)構(gòu)器件 (MLV)：一般稱為壓敏電阻。MLV也可以進(jìn)行有效的瞬時(shí)高壓沖擊抑制，此類器件具有非線性電壓 - 電流 ( 阻抗表現(xiàn) ) 關(guān)系，截止電壓可達(dá)最初中止電壓的 2 ～ 3倍。這種特性適合用于對(duì)電壓不太敏感的線路和器件的靜電或浪涌保護(hù)，如電源回路，按鍵輸入端等。手機(jī)用壓敏電阻約0.0015$,大約是TVS價(jià)格的1/6，但是防護(hù)效果沒有TVS好，且壓敏電阻有壽命老化。
一般可以通過串聯(lián)電阻或者磁珠來限制ESD放電電流，達(dá)到防靜電的目的。如圖。如手機(jī)的高輸入阻抗的端口可以串1K歐電阻來防護(hù)，如ADC，輸入的GPIO，按鍵等。不要擔(dān)心0402的電阻會(huì)被打壞，實(shí)踐證明這里電阻是打不壞的。這里不詳細(xì)分析。用電阻做ESD防護(hù)幾乎不增加成本。如果用磁珠和壓敏電阻差不多。但是對(duì)于大功率電源，或者高速信號(hào)，這里串電阻顯然是不合適的。會(huì)導(dǎo)致電源壓降或者信號(hào)完整性的問題。
前面提到了靜電的能量頻譜，如果用濾波器濾掉主要的能量也能達(dá)到靜電防護(hù)的目的。
對(duì)于低頻信號(hào)，如GPIO輸入，ADC，音頻輸入可以用1k+1000PF的電容來做靜電防護(hù)，成本可以忽略，性能不比壓敏電阻差，如果用1K+50PF的壓敏電阻（下面講的復(fù)合防護(hù)措施），效果更好，經(jīng)驗(yàn)證明這樣防護(hù)效果有時(shí)超過TVS。
對(duì)于射頻天線的微波信號(hào)，如果用TVS管，壓敏等容性器件來做靜電防護(hù)，射頻信號(hào)會(huì)被衰減，因此要求TVS的電容很低，這樣增加ESD措施的成本。對(duì)于微波信號(hào)可以對(duì)地并聯(lián)一個(gè)幾十nH的電感來為靜電提供一個(gè)放電通道，對(duì)微波信號(hào)幾乎沒有影響，對(duì)于900MHZ和1800MHz的手機(jī)經(jīng)常用22nH的電感。這樣能把靜電主要能量頻譜上的能量吸收掉很多。
有一種器件叫EMI filter，有很好的ESD防護(hù)效果，如圖。EMI filter也有基于TVS管的和基于壓敏電阻的，前者效果好，但很貴，后者廉價(jià)，一般4路基于壓敏電阻的EMI價(jià)格在0.02$。
實(shí)際應(yīng)用中可以用下面的一個(gè)電阻+一個(gè)壓敏電阻的方式。他既有低通濾波器的功能，又有壓敏電阻的功能，還有電阻串聯(lián)限流的功能。是性價(jià)比最好的防護(hù)方式，對(duì)于高阻信號(hào)可以采用1K電阻+50PF壓敏；對(duì)于耳機(jī)等音頻輸出信號(hào)可以采用100歐電阻+壓敏電阻；對(duì)于TP信號(hào)串聯(lián)電阻不能太大否則影響TP的線性，可以采用10歐電阻。雖然電阻小了，低通濾波器效果已經(jīng)沒有了，但限流作用還是很重要的。
可以在敏感信號(hào)附件增加地的漏銅，來吸收靜電。道理和避雷針原理一樣。在信號(hào)線上放置尖端放電點(diǎn)（火花隙）在山寨手機(jī)設(shè)計(jì)中也經(jīng)常應(yīng)用。
b）機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和單板設(shè)計(jì)上添加預(yù)接地設(shè)計(jì)，使得熱插拔發(fā)生之前，讓單板與機(jī)箱接地是非常必要的。這樣可以做到靜電不會(huì)在機(jī)箱側(cè)引入，也不會(huì)在熱插拔的瞬間引入。 但是電路板被拔出來之后，客戶用手摩挲，就沒有辦法了。需要通過靜電手環(huán)和防靜電手套的制度要求。
浪涌（Electrical Surge）顧名思義就是瞬間出現(xiàn)超出穩(wěn)定值的峰值，它包括浪涌電壓和浪涌電流。 浪涌電壓是指超出正常工作電壓的瞬間過電壓；浪涌電流是指電源接通瞬間或是在電路出現(xiàn)異常情況下產(chǎn)生的遠(yuǎn)大于穩(wěn)態(tài)電流的峰值電流或過載電流。本質(zhì)上講，浪涌是發(fā)生在僅僅幾百萬分之一秒時(shí)間內(nèi)的一種劇烈脈沖。 熱插拔(Hot Swap)是指在系統(tǒng)不斷電的情況下，可以拔出或插入熱插拔工作模塊，而不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。熱插拔技術(shù)可以提供有計(jì)劃地訪問熱插拔設(shè)備，允許在不停機(jī)或很少需要操作人員參與的情況下，實(shí)現(xiàn)故障恢復(fù)和系統(tǒng)重新配置。 如果將機(jī)架上尚未充電的一塊板卡插入帶電背板時(shí)，如圖4-1所示，將會(huì)發(fā)生以下情況：
在新插入并開始上電的PCB上，用于旁路和濾波存儲(chǔ)的大電容將瞬間短路并開始充電。充電電荷來自于帶電系統(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。 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。下圖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。
注入電解電容的浪涌電流和電容充電時(shí)兩端的電壓 熱插拔過程中產(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、背板連接器引腳或保險(xiǎn)絲被燒斷。 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)位或影響背板與板卡之間的通信。熱插拔期間由于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)致總線數(shù)據(jù)通信錯(cuò)誤。 另外一個(gè)容易忽略的問題是系統(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。解決這一問題的有效途徑是對(duì)熱插拔板卡的浪涌電流峰值加以控制。 這種控制浪涌電流的方法是使用“交錯(cuò)式引腳”，也稱為“早供電引腳”、“預(yù)充電壓”或者是“預(yù)先加載”引腳。從物理架構(gòu)上引入交錯(cuò)引腳，通過一長(zhǎng)、一短兩個(gè)電源引腳組成。熱插拔過程中，通過串聯(lián)電阻控制浪涌電流。如圖所示。
長(zhǎng)電源引腳首先接觸到電源并通過一個(gè)串聯(lián)電阻RPRECHARGE開始為新板卡的濾波、旁路電容充電。RPRECHARGE限制充電電流。板卡將要完全插入時(shí)，短電源引腳接入電源，從而旁路連接在長(zhǎng)電源引腳的電阻RPRECHARGE，為板卡供電提供一個(gè)低阻通道。信號(hào)引腳通常在插入板卡的最后時(shí)刻接入。該方案中，電阻RPRECHARGE是保護(hù)器件，把浪涌電流限制在不至于燒壞引腳或干擾相鄰板卡工作的水平。 但此方案不能控制濾波電容的充電速率。這種架構(gòu)需要考慮兩個(gè)關(guān)鍵因素：短引腳相對(duì)于長(zhǎng)引腳的線長(zhǎng)，板卡插入系統(tǒng)的快、慢。另外，這是一種機(jī)械方案，考慮到連接器的機(jī)械容差，完全相同的引腳長(zhǎng)度并不能確保接觸時(shí)間精確相同。實(shí)際應(yīng)用中用戶會(huì)看到上述不同變數(shù)。而且，當(dāng)短電源引腳略長(zhǎng)、PCB被快速插入背板時(shí)，RPRECHARGE將在輸入電容充滿電之前被短路，因此，這種看似可靠的方案實(shí)際存在一定隱患，不能可靠控制浪涌電流。 該架構(gòu)的另一個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)步驟是選擇RPRECHARGE，如果電阻選擇不合理，將會(huì)直接影響系統(tǒng)工作。預(yù)充電阻的選擇必須權(quán)衡預(yù)充電流和浪涌電流。所以，交錯(cuò)式引腳方案需要一個(gè)特殊的連接器，這在行業(yè)中也是難以接受的。 另一種實(shí)施方案是熱敏電阻熱插拔控制法。熱敏電阻為電子元件，阻值在溫度變化時(shí)將發(fā)生顯著變化(電阻是溫度的函數(shù))。根據(jù)溫度變化進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)節(jié)的電路應(yīng)用非常普遍。負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻的電流-時(shí)間特性取決于其溫度特性，在其應(yīng)用電路中的功率耗散很穩(wěn)定。電流-時(shí)間特性可以抑制短暫的高壓尖峰以及初始浪涌電流。如圖所示為基于熱敏電阻的熱插拔限流電路，配合一個(gè)外部MOSFET使用。
此方案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，限制浪涌電流。但是，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。 事實(shí)上，抑制浪涌電流最好的解決方案是采用完全集成的單芯片熱插拔控制器，利用一個(gè)電路限制插入板卡的浪涌電流、提供過流和負(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：欠壓（UV）和過壓（OV）保護(hù)；過載時(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。 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。 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)。利用那些拼湊起來的熱插拔方案解決故障問題或者只是很好地解決了其中部分問題，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。 在實(shí)際運(yùn)用中，總線上插入板卡時(shí)，由于新插入板卡電容的充電以及上電過程中一些低阻抗通道的存在，會(huì)產(chǎn)生極大的浪涌電流，拉低總線電平，對(duì)總線上其他設(shè)備產(chǎn)生干擾，影響總線上其他設(shè)備的正常運(yùn)行。同時(shí)插拔時(shí)也對(duì)總線接口帶來靜電問題。 所以，對(duì)總線進(jìn)行熱插拔時(shí)，必須采取一些措施對(duì)子卡上電進(jìn)行控制，限制浪涌電流，同時(shí)也要提供一定的靜電泄放通道。下面對(duì)幾種總線熱插拔技術(shù)進(jìn)行討論。 I2C總線是Philips公司推出的串行總線標(biāo)準(zhǔn)，由數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘線SCL構(gòu)成，可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。I2C總線上擴(kuò)展的外圍器件及外設(shè)接口通過總線尋址，是具備總線仲裁和高低速設(shè)備同步等功能的高性能多主機(jī)總線。運(yùn)用舉例如圖所示。
由圖中可以看出，I2C總線上外掛了許多設(shè)備，當(dāng)我們插入或者拔出某一個(gè)I2C設(shè)備時(shí)，不應(yīng)該對(duì)其他設(shè)備造成影響，具體表現(xiàn)為：
- 1、不能產(chǎn)生浪涌電流，影響總線信號(hào)。
- 2、要有靜電防護(hù)能力，消除插拔產(chǎn)生的靜電影響。
I2C總線上設(shè)備要支持熱插拔，最常用的方法是采用支持I2C熱插拔的總線緩沖驅(qū)動(dòng)器，Philips公司的PCA9510A——PCA9514A都支持I2C總線熱插拔，總體原理差不多，具體性能上有點(diǎn)差異， PCA9511A，在系統(tǒng)中的運(yùn)用如圖所示。
PCA9511A實(shí)現(xiàn)I2C熱插拔的原理分析如下： 如上圖所示，PCA9511A的2、7引腳接從設(shè)備，3、6引腳接主設(shè)備。當(dāng)系統(tǒng)上電過程中，SDA和SCL都保持高阻狀態(tài)，并且由于2（ENABLE）引腳處于低電平狀態(tài)，所以SDAIN與SDAOUT之間是斷開的，SCLIN和SCLOUT之間也一樣是斷開的。當(dāng)上電過程完成后，ENABLE管腳由低電平變?yōu)楦唠娖搅耍M(jìn)入初始化狀態(tài)，內(nèi)部的預(yù)充電功能開始執(zhí)行，當(dāng)初始化進(jìn)入尾聲的時(shí)候，停止命令和總線空閑狀態(tài)檢測(cè)功能開始執(zhí)行，ENABLE有效的時(shí)間足夠長(zhǎng)后，所有的SDA和SCL管腳都進(jìn)入了高電平狀態(tài)，這時(shí)候如果在SDAIN和SCLIN總線上檢測(cè)到停止命令或者檢測(cè)到空閑信號(hào)，則SCLIN和SCLOUT連接，同樣的SDAIN和SDAOUT也連接，并且IN信號(hào)和OUT信號(hào)之間通過雙向緩沖器對(duì)內(nèi)部電容和外部電容進(jìn)行隔離。經(jīng)過以上處理過程，基本上消除了I2C熱插拔時(shí)總線的浪涌電流。 同時(shí)，PCA9511A具有一定的靜電放電保護(hù)，其中人體模型大于 2000V，機(jī)器模型大于150V，充電器件模型大于1000V。所以PCA9511A一定程度上解決了熱插拔過程中的靜電泄放問題。 多槽設(shè)備，子卡和背板設(shè)備MCU均為L(zhǎng)PC2103，子卡與背板設(shè)備之間通過I2C總線通信，示意圖如下所示。
當(dāng)某個(gè)槽位空閑而其他槽位子卡在位工作時(shí)，空閑槽位插入子卡，則正常工作的槽位將通訊失敗，經(jīng)查，是由于插入子卡的瞬間，由于浪涌大電流拉死了背板I2C總線，導(dǎo)致I2C總線上其他正在運(yùn)行的設(shè)備無法正常工作。 原因及解決辦法：較早設(shè)計(jì)的設(shè)備，沒有進(jìn)行I2C熱插拔設(shè)計(jì)，導(dǎo)致熱插拔I2C總線上某個(gè)設(shè)備時(shí)對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生干擾，影響正常工作。
設(shè)計(jì)I2C總線板卡，需進(jìn)行熱插拔設(shè)計(jì)。 （2）74LVT16245在總線熱插拔中應(yīng)用 圖中為通過總線連接到一起的板卡，Card1工作時(shí)，將接口總線被驅(qū)動(dòng)為高電平（CMOS的上管導(dǎo)通），此時(shí)插入Card2，由于Card2的Vcc上電需要一定的時(shí)間，導(dǎo)致使能信號(hào)和輸入端信號(hào)都為低電平，因此Card將驅(qū)動(dòng)輸出端口為低電平（CMOS的下管導(dǎo)通），從而在Card1和Card2之間出現(xiàn)了一條低阻抗的電流通路，兩個(gè)接口器件都存在被損壞的可能。 子卡與背板之間通過總線通信的，比如PCI總線、telecomBus總線、UART總線等，一般采用邏輯器件來進(jìn)行熱插拔處理，74LVT16245就是我們最常用的芯片。 74LVT16245對(duì)總線熱插拔的解決方法是使接口器件在Vcc上電完成之前，輸出端口保持高阻而不對(duì)任何輸入信號(hào)作出響應(yīng)，這種解決方法稱為上電三態(tài)（PU3S ：Power up 3 state），上電三態(tài)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示。 PU3S內(nèi)部包含一個(gè)如上圖所示的結(jié)構(gòu)，PU3S輸出低電平時(shí)，器件輸出端呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，只有在PU3S輸出高電平時(shí)，輸出端才能對(duì)輸入端的信號(hào)做出正確的響應(yīng)。PU3S結(jié)構(gòu)中，R1和R2構(gòu)成分壓電路，使M1管只有在Vcc的電平超過閾值后才能導(dǎo)通，因此在Vcc上電的過程中，節(jié)點(diǎn)2保持為高電平，驅(qū)動(dòng)PU3S輸出低電平，Vcc上電完成后，M1導(dǎo)通，節(jié)點(diǎn)2變?yōu)榈碗娖剑?qū)動(dòng)PU3S輸出高電平，器件輸出端開始正常工作。
74LVT16245是一款高性能16位三態(tài)緩沖總線收發(fā)器，工作電壓為3.3V，74LVT16245有輸出使能管腳，能夠控制總線之間的有效隔離，還有一個(gè)方向控制管腳，可以控制輸入和輸出的方向，具體方向控制見下圖。
PCI和PCI-X總線是多點(diǎn)并行互聯(lián)總線，多臺(tái)設(shè)備共享一條總線。CompactPCI結(jié)合PCI的電氣特性和Eurocard的機(jī)械封裝特性，除了具有PCI總線的高性能外，還支持熱插拔功能。為了使系統(tǒng)能夠支持熱插拔，CompactPCI協(xié)議在硬件和軟件方面都做了特殊規(guī)定。 硬件方面，主要從連接器的角度進(jìn)行了設(shè)計(jì)，CompactPCI的連接器分為長(zhǎng)針、中針和短針，如圖所示。
這樣的設(shè)計(jì)使得CompactPCI模塊在插入和拔出時(shí)各引腳按一定的順序與系統(tǒng)底板進(jìn)行連接和斷開。 長(zhǎng)針：電源、地引腳。用于插槽放電和Vo引腳預(yù)充電。 中針：PCI總線信號(hào)引腳。當(dāng)模塊上電以后，這些信號(hào)應(yīng)該保持三態(tài)。為了減小對(duì)PCI信號(hào)的影響，在插入過程中，應(yīng)預(yù)充電到1V左右。 短針：IDSEL、BD_SEL#引腳。用于模塊插入/拔出的確認(rèn)信號(hào)，當(dāng)這個(gè)信號(hào)有效時(shí)（低電平），表示整個(gè)模塊已完全插入系統(tǒng)中。
軟件方面，需要在驅(qū)動(dòng)程序級(jí)、服務(wù)程序級(jí)以及在應(yīng)用程序級(jí)上有足夠的附加軟件來支持。
CompactPCI熱插拔技術(shù)規(guī)范將熱插拔劃分為3個(gè)過程：物理連接、硬件連接和軟件連接。 物理連接過程是一個(gè)機(jī)械連接過程，插入CompactPCI模塊時(shí)，首先通過板卡兩側(cè)的靜電條放電，電源、地線引腳首先接通，該模塊的預(yù)充電電路對(duì)PCI信號(hào)線進(jìn)行預(yù)加電，使這些信號(hào)線在與系統(tǒng)連接前維持在1.0V左右，從而使其與系統(tǒng)總線連接時(shí)產(chǎn)生的瞬態(tài)電流最小，最大限度的減小對(duì)總線的瞬態(tài)干擾，達(dá)到保護(hù)總線信號(hào)的目的，然后是中針引腳（pCI信號(hào)線）與系統(tǒng)總線接通，最后是短針引腳接通，同時(shí)向系統(tǒng)發(fā)出一個(gè)使能信號(hào)，系統(tǒng)由此知道有一模塊已經(jīng)插入系統(tǒng)，即開始對(duì)它進(jìn)行初始化。當(dāng)模塊拔出時(shí)，上述事件的發(fā)生順序正好相反。 硬件連接過程指模塊與背板CompactPCI總線的電氣連接/斷開，包括上電復(fù)位、上電檢測(cè)，模塊自身的初始化以及加載配置空間數(shù)據(jù)等。
軟件連接指軟件層同系統(tǒng)的連接，對(duì)于模塊的插入，這一過程包括分配系統(tǒng)資源（如內(nèi)存空間分配）、加載驅(qū)動(dòng)程序和其他相關(guān)軟件。對(duì)于模塊的拔出，這一過程包括釋放系統(tǒng)資源、關(guān)閉驅(qū)動(dòng)程序和相應(yīng)的軟件。 應(yīng)用舉例：CompactPCI熱插拔設(shè)計(jì)的核心就是電源管理，按照一定的速率為模塊上電和斷電，同時(shí)為PCI總線信號(hào)提供1V左右的預(yù)充電電壓。下圖系統(tǒng)中采用PCI91054作為PCI接口芯片，利用電源管理芯片LTC1644對(duì)CompactPCI的電源節(jié)能型管理，同時(shí)也為PCI總線信號(hào)提供預(yù)充電。應(yīng)用連接圖如圖所示。
CompactPCI熱插拔設(shè)計(jì)圖 lTC1644是一塊專門用于熱插拔的電源管理芯片。對(duì)于熱插拔模塊來說，除了PCI9054和LTC1644從CompactPCI的接口處取電以外，其他模塊都只能從LTC1644的輸出端取電。它支持對(duì)CompactPCI總線上的5V、3.3V、12V、-12V電源進(jìn)線控制，同時(shí)對(duì)5V和3.3V輸出電壓提供過載和短路的雙重保護(hù)。 PCI9054支持CompactPCI熱插拔規(guī)范，利用ENUM#和LEDon/LEDin管腳以及相關(guān)寄存器實(shí)現(xiàn)熱插拔功能。 AdvancedTCA®是一種用于在中心局電信環(huán)境的新型模塊化計(jì)算構(gòu)架，由P CIIndustrial Computer Manufacturers Group開發(fā)。在PICMG®3.0規(guī)范其中定義了背板、連接器和可插撥板卡的電氣和機(jī)械特性。系統(tǒng)電源由電信裝置中常用的–48V雙電池饋電方式來提供，而且，ATCA™中的許多相關(guān)規(guī)范都取自已制定的電信標(biāo)準(zhǔn)。功率要求每一塊可插撥板卡或前端電路板都是專為能夠在一個(gè)運(yùn)行系統(tǒng)中進(jìn)行帶電插撥而設(shè)計(jì)的。允許每塊前端電路板吸取高達(dá)200W的功率，從而將最大負(fù)載電流置于4A至5A的范圍內(nèi)。與這些類型的系統(tǒng)中常見的一樣，非常希望進(jìn)行以板卡為中心的涌入限制以及電流和電壓監(jiān)視，以便清除輸入電源饋電并最大限度地減少電源背板干擾。
電路解決方案圖，是一種專為具備對(duì)最大可用功率的處理能力而設(shè)計(jì)的完整電路。LTC4252A所設(shè)定的精確電流限值旨在提供至少5.5A的電流（在所有的條件下）、一個(gè)針對(duì)200W功率的舒適裕度、并能夠在7A電流以下關(guān)斷，以便在出現(xiàn)有害過載時(shí)使熔斷器保持完好。該電路兼具過壓（OV）和欠壓（UV）監(jiān)視功能。UV門限被設(shè)定在–37V接通時(shí)和在–33.3V關(guān)斷，在“或”二極管之后進(jìn)行測(cè)量。OV在–74.7V時(shí)關(guān)斷，并在–73.2V時(shí)重新接通（“或”二極管之后進(jìn)行測(cè)量）。 這確保了在–43V至–72V的滿量程內(nèi)以及至–75V的輸入浪涌和至–100V的瞬變條件下的正常操作（與ATCA規(guī)范一致）。 一旦檢測(cè)到有板卡插入，則LTC4252A將暫停運(yùn)行達(dá)230ms的時(shí)間以便允許觸點(diǎn)顫動(dòng)，然后采用一個(gè)斜坡電流電路來對(duì)負(fù)載進(jìn)行軟啟動(dòng)。涌入電流將逐漸增加，直到MOSFET完全導(dǎo)通為止。利用三個(gè)截然不同的響應(yīng)級(jí)來處理由SENSE引腳和8m?分流電阻器進(jìn)行檢測(cè)的電流過載。如果檢測(cè)到一個(gè)小且在7A或更大的持續(xù)過載，則TIMER引腳將在延遲5.7ms之后關(guān)斷。如果過載超過7.5A，則LTC4252A將調(diào)低MOSFET電壓并把電流維持在該數(shù)值上。同樣，在經(jīng)過了一個(gè)5.7ms的延遲之后，電路關(guān)斷。如果過載很嚴(yán)重，則一個(gè)堅(jiān)固且非常快速的放大器將迅速地對(duì)MOSFET的柵極電壓進(jìn)行校正，使其降至器件的門限附近。LTC4252A的電流限制電路隨后開始起作用，并在5.7ms的TIMER延遲周期中將過載維持于7.5A。LTC4252A還對(duì)MOSFET兩端的壓降進(jìn)行監(jiān)視，并可在電壓應(yīng)力增加時(shí)將TIMER延遲降至小至1.8ms。這便能夠在出現(xiàn)硬故障的情況下使MOSFET舒適地保持在其安全工作區(qū)之內(nèi)。3）監(jiān)控后續(xù)電流，一旦故障立即關(guān)閉系統(tǒng)熱插拔數(shù)字芯片典型應(yīng)用框圖如圖所示。
LTC4260CGN具 I2C 兼容型監(jiān)視功能的正高電壓熱插拔控制器特點(diǎn)8 位 ADC 負(fù)責(zé)監(jiān)視電流和電壓用于外部 N 溝道 MOSFET 的高端驅(qū)動(dòng)錯(cuò)誤發(fā)延遲處理時(shí)間：dt(sec) = C(TIMER)(F) ×10,000(Ω)——上圖中的C4即為C(TIMER)輸出電壓翻轉(zhuǎn)速率控制：dVs/dt=15 uA/Cgd——上圖中的C4即為Cgd電路中斷門限電流：ILMT = RISET x 50 x 10–6/ RISENSE——上圖中的R1和R2分別為RISENSE和RISET電源狀態(tài)良好指示電壓Vomin=（Rt+Rb）xVSENSE/Rb——VSENSE為1.225V，上圖中的R4即為Rt，R5即為Rb1、《工程技術(shù)基礎(chǔ)-熱插拔知識(shí)詳解及案例分析教材》百度文庫，作者不詳3、KyechongKim a, Agis A. Iliadis ，Latch-upeffects in CMOS inverters due to high power pulsed electromagnetic interference4、 GENDA.HU,ABetter Understand of CMOS Latch-Up5、凌特文檔《ATCA熱插拔設(shè)計(jì)要點(diǎn)》6、CPCI接口熱插拔設(shè)計(jì)規(guī)范7、【ESD】電路級(jí)靜電防護(hù)設(shè)計(jì)技巧與ESD防護(hù)方法8、ESD防護(hù)方法及設(shè)計(jì)要點(diǎn)
