高可靠性电源系统的热插拔原理和应用
PCIe总线的热插拔机制
PCIe 总线的热插拔机制
某些特殊的应用场合可能要求PCIe 设备能够以高可靠性持续不间断运
行，为此，PCIe 总线采用热插拔（Hot Plug）和热切换（Hot Swap）技术，来实现不关闭系统电源的情况下更换PCIe 卡设备。
注：本文将简单地介绍一下PCIe 总线的热插拔机制，关于热切换（Hot Swap），请参考PCIe Spec 的相关章节。
PCIe 总线的热插拔主要指的是PCIe 卡设备的热插拔，以及相关的实现机制等。
PCIe 卡有两个用于热插拔机制的边带信号——PRSNT1#和
PRSNT2#。
PCIe 卡设备上的这两个信号之间是短路的，PCIe 插槽的PRSNT1#被固定地连接到地，PRSNT2#则被上拉。
且这两个信号的金手指长度要比其他的信号的金手指长度要短一点。
如下图所示，当PCIe 卡设备未被完全插入插槽时，插槽的PRSNT2#信号由于上拉的作用，将一直处于高点平状态。
当PCIe 卡设备被完全插入插槽后，插槽上的PRSNT2#信号则会被PCIe 卡设备的短路线连接到地，从而使得其变为低电平。
换句话说，从插槽的角度看，当PRSNT2#位高电平时，则认为PCIe 卡设备未能正确插入或者无PCIe 卡设备；当PRSNT2#位低电平时，表明PCIe 卡设备被正确地插入插槽中。
工程技术基础-热插拔知识详解及案例分析
目录第一章热插拔概述 ----------------------------------------------------------------------------------- 21.1历史-------------------------------------------------------------------------------------------------------- 21.2热插拔常见问题 ---------------------------------------------------------------------------------------- 2第二章热插拔导致的闩锁效应及其防治 -------------------------------------------------------- 42.1闩锁效应及其机理------------------------------------------------------------------------------------- 42.2闩锁的产生条件 ---------------------------------------------------------------------------------------- 62.3闩锁的常见诱发原因---------------------------------------------------------------------------------- 62.4热插拔诱发闩锁的原因分析 ------------------------------------------------------------------------ 62.5闩锁的预防措施 ---------------------------------------------------------------------------------------- 7第三章热插拔导致的静电问题及其防治 -------------------------------------------------------- 83.1静电产生 ------------------------------------------------------------------------------------------------- 83.2静电放电失效机理------------------------------------------------------------------------------------- 9第四章热插拔导致的浪涌问题及其防治 ------------------------------------------------------- 114.1浪涌说明 ------------------------------------------------------------------------------------------------ 114.1.1概念 ---------------------------------------------------------------------------------------------- 114.1.2产生原因---------------------------------------------------------------------------------------- 114.1.3影响 ---------------------------------------------------------------------------------------------- 124.2浪涌防治 ------------------------------------------------------------------------------------------------ 134.2.1交错引脚法------------------------------------------------------------------------------------- 134.2.2热敏电阻法------------------------------------------------------------------------------------- 144.2.3单芯片热插拔控制器 ------------------------------------------------------------------------ 15第五章总线热插拔 ---------------------------------------------------------------------------------- 175.1 I2C总线热插拔---------------------------------------------------------------------------------------- 175.2 I2C总线热插拔案例 --------------------------------------------------------------------------------- 185.3 74LVT16245在总线热插拔中应用 --------------------------------------------------------------- 195.5扩展知识CompactPCI总线热插拔------------------------------------------------------------- 21第六章热插拔最新解决方案-数字热插拔芯片 ------------------------------------------------ 246.1热插拔芯片的理念------------------------------------------------------------------------------------ 246.2典型应用框图 ------------------------------------------------------------------------------------------ 24第一章热插拔概述1.1历史热插拔（hot-plugging或Hot Swap）即带电插拔，是指将设备板卡或模块等带电接入或移出正在工作的系统，而不影响系统工作的技术。
热交换和热插拔-概述说明以及解释
热交换和热插拔-概述说明以及解释1.引言1.1 概述热交换和热插拔技术在现代科技领域中扮演着至关重要的角色。
随着科技的不断发展和普及，我们对设备的性能和效率要求也越来越高。
热交换技术可以通过在设备中实现热能的传递和分配，提高设备的工作效率和稳定性，同时延长设备的使用寿命。
而热插拔技术则可以在设备运行的情况下，实现设备组件的更换和升级，极大地提高了设备的可维护性和灵活性。
本文将重点介绍热交换和热插拔技术的原理和作用，探讨其在各个领域的应用前景和发展趋势。
通过深入了解这两项技术，我们可以更好地把握设备的运行机理，提高设备的性能表现，并为科技领域的持续发展做出贡献。
1.2 文章结构本文将围绕热交换和热插拔这两个概念展开讨论。
首先，将介绍热交换的概念，包括其基本原理和应用领域。
然后，将探讨热交换在工程和科技领域中的重要作用，以及其对系统性能和效率的影响。
接着，将深入探讨热插拔技术的原理，包括其在硬件设备中的应用和优势。
最后，通过总结热交换和热插拔的重要性，展望它们在未来的应用前景。
通过对这两种技术的深入讨论，旨在帮助读者更好地理解热交换和热插拔的意义和作用，以及它们在现代科技领域的重要性。
1.3 目的本文旨在探讨热交换和热插拔技术在现代工程中的重要性以及其应用前景。
通过对热交换和热插拔技术的原理和作用进行分析和讨论，我们可以深入了解这两种技术在不同领域中的应用，为工程师和相关人士提供更多的知识和信息。
同时，我们也希望能够引起读者对热交换和热插拔技术的关注，认识到其在提高设备效率、节约能源和保护环境方面的重要作用。
通过本文的阐述，我们希望能够促进热交换和热插拔技术的进一步发展和应用，为工程领域的进步做出贡献。
2.正文2.1 热交换的概念热交换是一种将热量从一个系统传递到另一个系统的过程，而在这个过程中，系统始终保持运行状态，不需要停机。
热交换通常发生在工业生产中的设备中，尤其是涉及到需要稳定温度和热量控制的系统中。
热插拔的硬道理
电子开关实现过流保护
我们以
ＯＵＴ １ ＧＮＤ ２ ＳＥＴ ３
图 ６ ＡＡＴ４６１０ 引脚定义
５ ＩＮ ４ ＯＮ
ＡＡＴ４６１０ 为 例 说明电子 开关实现过 流保护的工 作原理
ＡＡＴ４６１０ 采用 ＳＯＴ－２３ 塑料封装（图 ６） ５ 个引脚的定
表１
引脚号 引脚定义 引脚功能
１
ＯＵＴ
电源输出端
２
ＧＮＤ
过去我们一直告诫用户不可带电插拔 因为电脑 中的串口 并口以及鼠标 键盘和并口打印机等设备 都不能热插拔 如果带电插拔 轻则造成死机或重启 动 重则导致设备或主板接口电路损坏 造成难以挽 回的损失 那么带电插拔那些不支持热插拔的设备为 什么会造成如此严重的后果呢
热插拔为什么会损坏硬件？ 伤 在哪里？
热插拔 也称 热交换 （ｈｏｔ－ｓｗａｐ） 是指将设 备 板卡或模块等带电 接入 或 移出 正在工作 的电脑 热插拔技术为服务于金融 电信 军事等重 要用途的电脑而开发 因为那些电脑一旦投入运行就 必须夜以继日地运转 停机则意味着服务中断和经济 损失 对这些机器中的关键部件（如 ＣＰＵ 内存条 硬 盘等）要采用冗余结构 冗余的部件又要具有热插拔特 性 以便在带电情况下进行拆卸和安装 完成维修工 作 为实现即插即用 普通台式 ＰＣ 和笔记本电脑中 也逐步引入了热插拔技术 ＵＳＢ ＩＥＥＥ １３９４ ＳＡＴＡ ＳＣＳＩ和Ｃｏｍｐａｃｔ ＰＣＩ总线等新型的接口和一些设备（如 打印机 扫描仪 闪存和 ＳＡＴＡ硬盘等）均支持热插拔
图 ２ 主板上的保险丝
电路板上发生短 路 导致故障范围
扩大（图 ２） 金属熔丝是最原始的过流保护器件 其特
点是成本低 但熔丝熔断后需要停机更换
PTC 热敏电阻
热插拔
热插拔采用冗余电源供电的卡式系统进行LTC4236作为控制芯片，它具有二极管通道，进行单通道控制，专 门控制冗余电源，或对电流进行控制，在冗余电源管理的过程中，可以实现冗余电源的安全插拔操作，其控制电 源维持在9V到18V之间，在电流监视输出器的控制下，可以在小于1微秒的时间内控制峰值的电流，具有可调节的 折叠功能,从而实现了无震荡的平滑的切换功能，在该控制器发生故障之后,还可以进行为人的卡锁操作。
卡件式电源热插拔
凌力尔特公司开发的LTC4218是一种专为卡件式电路设计的热插拔控制器，其工作电压范围在2.9V到26.5V 之间，控制器的内部有一个开关控制器可以对电源外部的N通道进行控制，允许电路板在带电的时候进行拔出和插 入。其标准配置有各种可控制阀门，专用12V版本,包含了各种特殊设计，同时该控制器还可以调节电流和控制电 压,电源具有良好的监视功能，该设计提供了精度为百分之五的电流折返功能，限制电流的时候采用了不同的电阻 进行调整，同时还包含了可以参考电位的电流监视输出器。
谢谢观看
热插拔功能在电源设计中是非常重要的。在采用故障容限电源架构的应用系统中，都要求带有热插拔功能以 满足零停机时间的要求。在热插拔过程中，热插拔功能要避免电压、电流产生明显波动。
热插拔最早出现在服务器领域，是为了提高服务器易用性而提出的。在我们平时用的电脑中一般都有USB接 口，这种接口就能够实现热插拔。如果没有热插拔功能，即使磁盘损坏不会造成数据的丢失，用户仍然需要暂时 关闭系统，以便能够对硬盘进行更换。
过程
过程
图1热插拔热插拔过程如图1所示，其中左边代表系统及其供电，在供电的输出端有一个电容，右侧有两张卡， 这些卡的输入端也有电容。把卡插入系统之前，输入电容没有被充电；当把卡插入系统时会有一个很大的瞬间电 流向输入电容充电，这么大的瞬时电流很可能造成系统供电电压不正常。
基础科普 有源热插拔技术应用实例解析
基础科普有源热插拔技术应用实例解析热插拔技术目前在个大行业中都得到了广泛的应用，有源热插拔技术更是在智能硬件以及智能产品领域成为了研发首选。
这种新型的热插拔技术在实际应用过程中是如何实现其保护功效的？又是如何对浪涌电流进行管理和控制的呢？在今天的文章中，我们将会为大家进行实例解析。
就热插拔的应用要求来看，通常情况下应用这种技术的前提条件，都是要求使用带电子驱动的功率FET来控制浪涌电流。
有很多IC都能驱动功率FET，其中一些IC能够通过对浪涌电流的限制来控制负载上的电压斜率。
如果负载电容已知并在负载阻抗中占支配地位，则控制电压斜率可很好地控制浪涌电流。
但如果通过这种方式对浪涌电流进行控制，那幺设计人员就必须针对所期望负载电容对每一实现的斜率进行优化。
这些能够驱动功率FET的IC中，常常包含带电流限制的电流检测电路（即限流电路）、开/关负载的逻辑输入以及报告负载状态的逻辑输出。
限流电路在IC系统中的作用，就如同带可控响应时间及精确启动电流的电路断路器。
当负载电流超过预编最大值时，IC就会将负载断开。
如果在负载接通期间出现过电流，则由过电流所产生的浪涌最小，因为电流限制会随电源升高而将浪涌箝住。
但如果在负载接通摆动结束、且功率FET完全打开后出现过电流，则仍有可能出现高浪涌，因为故障出现需要一定的延时、且对功率FET栅极电容放电也需要一定的时间。
目前在智能产品的设计领域中，最通用的有源热插拔方法是直接使用一个线性电流放大器来控制负载电流，以此来实现热插拔，并实现对产品内部文件的保护作用。
线性电流放大器LCA结合定制高增益放大器与电流检测来驱动功率FET，能够实现对浪涌电流的有效控制。
当带有LCA的系统中插入或。
CompactPCI热插拔系统设计与应用
— — 请求Ｊ
Ｉ． 获设信 卜 显设信 Ｊ ．． ．一 取备息 一 示备息 ． ． ． —
Ｉ
求 ，发送 给热 插拔 驱 动 程序 ，并 将 热插 拔 驱 动
程序 返 回的设 备 信息 查 询 和控 制结 果 ，发 送 给
用 户程 序 。
Ｊ
ｔ
２ ．用户 程序 为 用 户 提 供 Ｃ Ｃ 设 备 管 理 接 ＰＩ 口，接 收 用 户 输 入 的设 备 信 息 查 询 和 控 制 命
统 架构 、软 件 架构 、各 组成部 分 的数据 流 交互 、热插 拔驱 动 以及 守护进 程 的工作 流程 ５个方 面 阐
述 了整 个 系统的硬件 和 软件 实现 。该 热插拔 系统 符合 Ｃ Ｃ 热插拔 规 范 ，能够 同时 支持 基本 热 插 ＰＩ 拔 、 完全 热插拔 和 高 可靠性 热插拔 。
ｉ ｕ ｔｙ ｎｄ ｓｒ ．Ａ ＣＰＣＩｈｏ ｗａ ｙ ｔｍ ｓ ｐｒｖ ｄ ｄ ｉ ｈ ｓ ａ ｉｌ ｎ ｈ ｒ ｗａ ｅ ｉ ｌ ｍｅ ｔｔｏ ｎ ｈ ｔ ｓ ｐ ｓ ｓｅ ｉ ｏ ｉ ｅ ｎ ｔ ｉ ｒ ｃ ｅ ａ ｄ ｔ ｅ ｈａｄ ｒ ｍｐ ｅ ｎａ ｉｎ ａ ｄ ｔ ｅ ｔ ｓ ｆｗａ ｅ ｄ ｓｇ ｆｔ ｅ ｅ ｔｒ ｙ ｔｍ ｒ ｅ ｃ ｉ ｅ ｒ ｍ ｖ ｓ ｃ ｓ ｎ ｌ ｄ ｎ ｙ ｔｍ ｔｕ ｔ ｒ ｏ ｔ ｒ ｅ ｉｎ ｏ ｈ ｎ ｉｅ ｓ ｓｅ ａ ｅ ｄ ｓ ｒｂ ｄ ｆｏ ｆ ｅ ａ ｐｅ ｔ ，ｉ ｃ ｕ ｉ ｇ ｓ ｓｅ ｓｒ ｃ ｕ ｅ，ｓ ｆｗａ ｅ ｉ ｏｔ ｒ
研祥智能科技股份有限公司 ５８５ 广东深 １０７ 高级工程师 工程师 收稿日期： ０１ ３１ ２１－ ． ０ ０
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热插拔控制器
不一样的热插拔控制器(图)作者：美国国家半导体公司 Neil Gutierrez 日期：2008-5-13 来源：本网热插拔的定义是在带电运行的背板中插入或移除电路板。
热插拔技术已被广泛应用到电信服务器、USB接口、火线(firewire)和C 背板的电压下，更换发生故障的电路板，并保证系统中其他正常的电路板仍可保持运作。
在工作中的背板上进行热插拔时，最大的造成一个低阻抗路径，从而引发大的浪涌电流。
浪涌电流可以损毁电路板上的电容、导线和连接器。
此外，系统电压亦可能会因浪使得其他连接着背板的电路板也无故重置。
热插拔控制器通过控制一个外加FET(见图1)来限制浪涌电流。
此外，这个控制器可在输出短路到接地或发生大型负载瞬变的情况时，通常都认为只要该FET能抵受DC电流负载和最大输入电压便足够。
可是，如果控制器发生故障并且该控制器又是唯一可控制电作条件下都不能确保FET处于安全运作范围(SOA)内。
本文将比较两类控制器，一类只具备有电流限制的控制能力，而另一类是可同插拔控制器，如美国国家半导体的LM5069。
图1 LM5069热插拔控制器控制器图1所示为LM5069热插拔控制器。
当浪涌电流流经传感电阻器(Rsns)时会被感测到，而控制器只会容许一个预定的最大电压通过电压值时，控制器便会调整栅极电压，使其维持最大值电流一定的时间。
电流限制所容许的最长时间取决于故障检测电流、故障阈值和引脚来编程。
一旦TIMER到达故障的阈值，控制器便会关闭栅极，同时输出会脱离系统的输入电压。
系统欠压和过压会分别经由测。
这个组件可验证输入电压是处于指定范围，还是高出欠压阈值或低于过压阈值。
假如输入电压在指定范围以外，那栅极便会关电源正常引脚(PGD)是一个开放漏极输出。
当输出(VOUT)还有几伏便到达输入(VIN)时，开放漏极下拉器件便会被关闭，而PGD会上签下游电路以表示VOUT电压“正常”。
PWR引脚上的电阻会决定通过FET的最大功率极限。
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高可靠性电源系统的热插拔原理和应用
热插拔的工作原理
热插拔（Hot Swap、Hot Plug、Hot Dock）是指在系统导电的工作状态下，将模组、卡或连接器插到系统上而不影响系统的操作。
图1所示为热插拔过程，其中左边代表系统及其供电，在供电的输出端有一个电容，右侧有两张卡，这些卡的输入端也有电容。
把卡插入系统之前，输入电容没有被充电；当把卡插入系统时会有一个很大的瞬间电流向输入电容充电，这么大的瞬时电流很可能造成系统供电电压不正常。
热插拔的目的是将高的瞬间电流控制在一个比较低而且合理的水平。
其实现方法有几种，其中使用PTC（正温度系数的热敏电阻），是最简单的方法。
PTC依靠本身的电流发热改变阻抗，从而降低瞬间电流的幅度，其缺点是反应速度慢，而且长时间使用会影响使用寿命。
MOS管电流检测电阻加上一些简单的电阻电容延迟线路的方法成本低，比较适于低端用途。
最好的方法是采用热插拔芯片，通常该芯片包含一个驱动MOS设计和电流检测电阻，它除了做基本热插拔之外，还可以提供特殊功能，如控制电流上升速率、做断电器、电源管理以及状态报告等，能够提升系统的工作状态。
热插拔的实现如图2所示，是通过在供电与负载之间串联一个MOS管和一个电流检测电阻完成的。
电流检测电阻的目的是将流过MOS管的信号传给控制线路，控制线路再根据电流设定和计时电路来控制MOS管的导通。
接下来以UCC3915为例说明热插拔过程中输出电流电压的情况。
图3中，左边图形是UCC3915的输出电流、输出电压、即时电容电压的波形，可以看到当输出电流上升到ITRIP时，计时电容开始充电，电压上升，开始计时；如果输出电流超过ITRIP并一直上升到IMAX（设定的最大值），由于此时 MOS 管工作在线性模式，将最大输出电流限制在这一水平而不让输出电流上升，因此输出电流就会被限制在IMAX。
另一方面，如果计时电容电压达到 1.5V，MOS管就会断开，输出电流下降到0。
MOS管断开之后电容会被放电，直到下降到0.5V，然后MOS管重新启动，此时电流开始上升。
如果输出电流还很高，则会将输出电流限制在IMAX，经过计时后电路又会将MOS管切断，电路将按照这一原理一直工作。
右图中有两组电压和电流的波形，其中一组是没有热插拔的电压电流波形，另外一组是加入了热插拔的电压电流波形。
没有加入热插拔功能的时候，瞬间电流幅度很大，高的瞬间电流幅度造成了系统电压大约 1V的下降幅度；当加入了热插拔，这一瞬间电流被限制在一个较低的水平，对系统电压影响较小，从而达到热插拔的目的。
系统中加入热插拔的好处包括：
1）在系统开机情况下将损坏的模块移除，还可以在开机情况下做更新或扩充动作而不影响系统操作；
2）由于热插拔零件的可靠度提升，还可以将它们用做断电器，而且因为热插拔能够自动恢复，有很多热插拔芯片为系统提供线路供电情况的信号，以便系统做故障分析，因此减少了成本。
热插拔非常适合用于高可靠度的系统，如通信电源系统、伺服器电源系统等，也可以用于储存设备的电源供应，因此这些设备需要在系统不断电的情况下更换储存设备或更新。
热插拔也适合于体积较小但可靠度要求很高的电源系统，包括一些主要的规范，如PCI、PCIe、USB、1394等，因此应用相当广泛。
TI的热插拔管理芯片
在选择热插拔芯片时，需要考虑的内容有：
1）热插拔管理芯片的工作电压范围为48V、-48V或低电压12V以内以及电流的限制；
2）保护的模式，可以选择自动恢复或者锁死保护模式；
3）计时电路，做断电器的功能；
4）其他工作状态时的性能，如负载短路时需要高速响应，负载增加时不损坏周边器件。
热插拔启动的瞬间，电流上升速率能够被控制，从而减少噪音和冲击水平；
5）MOS管或电流检测电阻功耗等。
TI推出了很多热插拔产品，并且多个产品中加入了特殊功能以提升热插拔的工作功率，这能够使热插拔MOS管工作在安全区，从而提高产品可靠度、降低成本。
另外一个功能就是di/dt（电流上升的速率），这能够减少噪音和对电路零件的冲击。
TI的热插拔产品主要分为两类：高压热插拔产品，针对48V、- 48V或24V应用；低压热插拔产品，针对3V到15V的应用。
对于高压热插拔产品，又可以分为两类：+48V产品和?48V产品，如图4所示。
48V的产品有TPS2490和2491，这个产品的工作电压从9V到 80V，含有一个独特的功能叫做定功率的设定。
?48V的热插拔控制芯片，包括TPS2390、2391、2398和99，这个系列针对简单的热插拔的应用，工作电压从?36到?80V，是8只脚的封装。
第二个?48V的热插拔是TPS2392和TPS2393，是属于全功能?48V 的热插拔产品，除了拥有TPS2390系列的所有功能之外，也含有欠压和过压的设定，提供两只脚做连接器的检测。
其中，定功率是TI的一项独特的技术，图5将定功率限制和一般的线性电流仿真电路作比较，左边的图为一般线性电流仿真电路曲线，MOS 管的电流和VDS呈线性关系；右边的图为定功率曲线，从图中公式可以看到电流与VDS呈非线性。
当负载增加，如果没有定功率限制，图6中左上端的输出电流上升很快，输出电压降低，流过MOS管的功率很可能漂出SOR之外；如果加入了定功率限制功能，左下端的电压电流波形中电流上升很快，向输入电容充电之后下降很快，而且同时保持MOS管工作点一直在SOR之内。
因此只要将定功率限制设定好，就可以不考虑负载的变化，节约了MOS管成本。
负载短路时，如果没有定功率限制，电流将会上冲并超过70A，
15微秒后才能恢复到所设定的最大电流5A，这样大的电流幅度很可能损坏线路周边零件；加入功率限制功能后，电流上升幅度较小，只有20A，只要经过1微秒即可降到所设定的最大电流5A，而对于1微秒、20A的脉冲，MOS管完全工作在安全工作区之内。
对于-48V的一些热插拔产品，有TPS2390、2391、2398、2399，这些芯片都只有8脚，工作电压由-36到-80V，从应用线路看它们的应用很简单，基本上只要考虑最大电流设定，然后是计时电路和TI独特的设计功能叫做电流上升的速率。
在TI的控制芯片中，很多的热插拔产品都会有一个叫做 RAMP 的引脚作电流上升速率的设定，通常通过一个电容来设定电流上升的斜率。
很多控制器的设计都是采用电压上升斜率控制，当热插拔控制器启动的时候，输出电压慢慢上升，但是输出电流上升的很快，而且输出电流上升的幅度根据不同的电容负载而不同，如果负载电容比较大，电流脉冲幅度相对很大，如此大的脉冲电流也会影响系统的正常操作。
TPS239X系列采用电流上升斜率的导通方法，在启动的时候，输出电流的上升斜率可以依靠RAMP电容设定，RAMP电容越大，上升的斜率越慢，从而减少了系统噪音和冲击的影响。
TI的低电压热插拔产品分为两类：MOS管内置的产品和MOS外置的产品，如图7所示。
MOS管内置的产品包含UCC3912、UCC3915、 UCC3918和TPS2420/21等，这些产品的最大允许流过电流是5安培，工作电压由接近0V 到12V，MOS外置的热插拔控制芯片有单路和双路控制芯片，两种单路的控制芯片有TPS2330和TPS2331，双路有TPS2300系列。
热插拔可以应用于很多场合，图8列出了不同设计应用所搭配的热插拔产品，可以根据该表选择适合的热插拔器件。