常用单元电路——热插拔

1、w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o m深研所新员工培训深研所新员工培训w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o m热插拔热插拔MPC860应用设计串口网口WDTJTAG热插拔w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o m热插拔的基本概念（一）热插拔的基本概念（一）热插拔即带电插拔：热插拔即带电插拔：指系统在上电工作的情况下，插入或拔出其部件，使其脱离工作状态或开始进入工作状态。快速插拔：指在单板插拔时尽量缩短单板电源接触母板插针和单板信号接触母板插针时间

2、间隔。w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o m热插拔的基本概念（二）热插拔的基本概念（二）慢速插拔 指在单板插拔时尽量拉大单板电源接触母板插针和单板信号接触母板插针的时间间隔。也即让单板的软件先运行起来，然后再让单板信号线与母板插针接触上。w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o m接口模型接口模型w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o m四种信号VCC是电源，对于带有二次电源模块的单板而言，其启动时间可能会更慢一些。S1是输入信号线。S2是三态输出信

3、号线。GND是工作地。模型说明（一）模型说明（一）w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o m信号之间的关系VCC与GND之间一般是滤波网络。VCC与S1信号线（或S2）之间往往是上拉电阻以及芯片内的箝位二极管或其它功能网络。S1（或S2等信号线）与GND之间往往是RC网络以及芯片内的箝位二极管等。模型说明（二）模型说明（二）w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o m在某一时刻，导通的插针不一样，单板对系统所表现出的负载特性也不一样。实测结果：位置相隔近的插针导通的时间差比较小，大概为1ms量级。位置

4、相隔远的插针导通的时间差比较大，可达到0.5秒量级。对系统和被插单板工作产生不良影响。不同插针先后导通产生的影响（二）不同插针先后导通产生的影响（二）w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o m对系统的影响电源因为与每个信号都相关联，因此电源的导通先后对系统影响很大。对CMOS电路，当电源的导通时间落后于信号线的导通时，由于被插单板电路中的CMOS器件输入端、输出端与电源端可能有一个低阻通路（可以等效为一个与电源相连的保护二极管），信号会通过保护二极管向电源端灌流，结果可能会使系统上其他相应单板的对应端输出信号负载过大，从而影响系统的正常工作。不同

5、插针先后导通产生的影响（三）不同插针先后导通产生的影响（三）w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o m对单板的影响增加带电插拔座的单板，电源与其它插针之间的导通时差更大。为了保证被插单板开工时所有的接口信号都已经稳定下来，要求单板在开工前有一个几秒钟的等待时间。否则可能产生单板接口信号输入或输出出错。不同插针先后导通还容易使被插单板CMOS接口器件产生闩锁。因为如果不对插针的导通先后加以控制，很容易出现信号线导通先于电源导通的情况，这增加了发生闩锁的可能。不同插针先后导通产生的影响（三）不同插针先后导通产生的影响（三）w w w . h a r

6、b o u r n e t w o r k s . c o m每根插针可等效为一个感性或容性负载。在恶劣插拔时容易产生高频振荡脉冲并叠加在相应的信号上，如果系统对该信号的质量极为敏感，则有可能引发问题。插拔产生的过冲、毛刺也可能损坏对被插单板的接口器件。插针导通瞬间产生的高频脉冲影响（一）插针导通瞬间产生的高频脉冲影响（一）w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o mMHzLCf150102010602121129 L引线电感取约60nHC引线分布电容取约20pF 该计算结果是一个近似值，实际频率一般更高。高频脉冲的谐振频率计算公式：插针导通瞬间产

7、生的高频脉冲影响（二）插针导通瞬间产生的高频脉冲影响（二）w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o m共路输出信号的三态控制问题共路输出信号的三态控制问题考虑模型中的S2信号，对应于多个单板输出的情况：热插拔时，多个三态门同时打开，产生数据冲突。设计上必须保证被插单板的输出门处于高阻态。一个例子：作接口缓冲的三态门的使能端由FPGA控制，在上电瞬间，由于FPGA还没有完成加载，其控制端处于高阻态，三态门就有可能被开启。w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o m电源暂态效应电源暂态效应系统工作电源电压出

8、现大幅波动的可能原因：电源内阻及背板走线电阻的影响。被插单板一般存在多个滤波电容，在上电瞬间电容充电电流较大。被插单板电子器件进入工作状态的瞬间电流较大。电源暂态效应后果：电压抖降的幅度超过一定限度值，导致系统中的其他单板复位。 接插件打火。w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o m信号暂态效应信号暂态效应信号线接口设计不当也可能会引起负载突然接入的暂态效应，从而影响到背板上的信号。设计时要注意考虑信号最大带负载能力，避免影响背板信号的匹配及背板输出信号的瞬间过载。w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c

9、 o m热插拔设计原则（一）热插拔设计原则（一）总原则要求不影响系统的正常工作。同时被插单板能够进入正常工作状态。w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o m注意带电插入电路板时插针的接通次序注意带电插入电路板时插针的接通次序被插电路板上的信号建立顺序依次为：地、电源、使能信号、输入输出信号。如果有多个电源，一般以电压绝对幅值从小到大的先后顺序导通。拔出单板时，要求掉电顺序正好与之相反。热插拔设计原则（二）热插拔设计原则（二）w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o m硬件措施硬件措施在被插电路板上应安

10、装带电插拔座。在背板上应安装对应的带电插拔插针：通常可仅安装工作地（GND）的连接端子。在必要的情况下，可同时安装工作电源（VCC）和工作地（GND）的连接端子。地插针比电源插针长。对于2mmHM插座而言，不采用专门的带电插拔座，但要注意分配较长的针脚作为地和电源的连接针。热插拔设计原则（三）热插拔设计原则（三）w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o m软件措施软件措施单板软件在程序开始时要有延时保护措施，确保单板与母板充分接触后，单板软件才正式开始工作。建议在被插电路板上运行的软件从启动到开工等待至少200ms时间，可采用循环指令或定时器来实现

11、。单板软件对单板专用芯片初始化过程中要有“自愈”处理能力。热插拔设计原则（四）热插拔设计原则（四）w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o m注意热插拔单板的输出信号状态注意热插拔单板的输出信号状态若被插入单板存在着与其他单板直连的共输出时分接口信号，在带电插入时要注意其输出接口信号的使能控制端处于封锁态，使对应的接口信号处于三态。譬如对FPGA控制的三态使能端，采用上拉电阻后，在上电瞬间FPGA加载完成之前，三态门仍处于关闭状态。热插拔设计原则（五）热插拔设计原则（五）w w w . h a r b o u r n e t w o r k s .

12、 c o m注意避免热插拔引起的电源暂态效应注意避免热插拔引起的电源暂态效应对于直接由母板提供工作电压的单板，电源输入应采用型滤波器滤波，避免引起系统电源波动，提高被插单板的电源质量。热插拔设计原则（六）热插拔设计原则（六）w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o m热插拔设计原则（七）热插拔设计原则（七）L1C1C3C2C4VinVoutC1的值一般在10uF-47uF 之间；C2的值一般在0.01uF-0.1uF之间；C3的值一般在10uF-50uF之间，C4的值一般在0.01uF-0.1uF之间L1的值一般在10uH-40uH，标准值为10u

13、H。w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o m电容的作用电容的作用C1/C3和C2/C4一般是由低频电容及高频电容组成的并联电容组:其中C1与C3一般为电解电容，其主要作用是滤除电源中的低频噪声。而C2与C4一般为独石或瓷片电容，主要作用是为了滤除电源上的高频噪声。C3/C4输出侧的电容不仅要完成去耦及过滤纹波的作用，并且还须维持输出电平不受电感反电势的影响热插拔设计原则（八）热插拔设计原则（八）w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o m电感的作用电感的作用抑制电流瞬间变化。电感值越大，抑制效果越好

14、。电感值太大时单板的上电特性不好，上电及掉电或带电插拔时，电感两端会产生反电势，影响负载。热插拔设计原则（九）热插拔设计原则（九）w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o m对于采用二次电源模块供电的单板，可考虑对二次电源的缓起电路，避免插入瞬间因接触电阻较大引起插针打火。热插拔设计原则（十）热插拔设计原则（十） w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o m通过R/C参数设计，可确定电路启动时间。为减低接插件的接触电阻，在设计电路时，要注意给主电源和地一般要各分配不少于四排的插针。热插拔设计原则（十一）

15、热插拔设计原则（十一）w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o m注意接口信号的缓冲处理注意接口信号的缓冲处理单板上的CMOS、TTL接口信号要注意避免直接从背板引入或拉出到背板；必须采用缓冲器进行隔离，以免插拔时产生的毛刺、过冲信号及瞬态大电流损坏芯片，缓冲器具有较大的抗过压、过流的能力。热插拔设计原则（十二）热插拔设计原则（十二）w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o m缓冲器选用（一）缓冲器选用（一）由于AC、ALVC等系列缓冲器的输入输出级有一个到VCC的低阻通路，当系统局部掉电时(譬如插板上

16、的保险烧断、插拔瞬间等），会导致与之相连的其他单板上的输出因负载过大而被拉低。而ABT、 LVT、 LVC、 GTL、 BTL等系列缓冲隔离器掉电时，其I/O 为高阻，不会影响到相关信号。热插拔设计原则（十三）热插拔设计原则（十三） w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o m缓冲器选用（二）缓冲器选用（二）建议采用ABT/LVT系列缓冲器（如ABT/LVTH16244）进行隔离。需要注意的是，ABT/LVTH16244的输出驱动能力很强，为减小振铃效应，尽管ABT16244内部输出串电阻，最好在其输出端串接小电阻。对于单板内部的驱动，如果速度不是

17、过高，驱动负载较少的情况下建议使用AC等系列器件，以免引起过高的过冲等。热插拔设计原则（十四）热插拔设计原则（十四）w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o m差分缓冲器差分缓冲器对于差分信号，建议采用ABT系列的接口芯片：如ABT26C31/32等，以提高单板抗过压过流的能力。热插拔设计原则（十五）热插拔设计原则（十五）w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o m注意单板上接口的带电插拔问题单板上接口的带电插拔问题在单板处于工作状态下，带电插拔单板上的接口，使外部设备与单板处于连接或断开状态，由于地电

18、位的不一致，当带电插拔时存在很高的瞬时电位加在接口器件I/O管脚上，极易导致接口器件击穿而损坏。 因此单板插座采用地线先接触插座采用地线先接触的带电插拔座，或接口信号线串接电阻进行限流，增加瞬态二极管保护。热插拔设计原则（十六）热插拔设计原则（十六）w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o mRS-232C的接口电路，在R1IN脚，增加了R1、D1、D2等3个器件进行保护。在一般情况下，瞬态保护二极管D1、D2可不必使用。热插拔设计原则（十七）热插拔设计原则（十七）w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o m案例波形案例波形电源冲击波形w w w . h a r b o u r n e t w o r k s . c o m故障现象：快速插入X模块Z单板，会造成接口框母板+5V电源振荡，测试波形见上图，其中Chanel 2为+5V电源振荡波形，通道1为Z单板主用信号。说明：电源板用PWC和PWS都一样。案例解释（一）案例解释（一）w w