淺談嵌入式系統(tǒng)中的硬件熱插拔設(shè)計(jì)

廣州日濱科技發(fā)展有限公司 張文杰

廣州城建職業(yè)學(xué)院 王 坤

熱插拔的概念來(lái)源于我們的桌面PC，其一般定義為將設(shè)備板卡或模塊等帶電接入或移出正在工作的電腦[1]。嵌入式系統(tǒng)中的熱插拔是指對(duì)正在運(yùn)行的嵌入式電路板，在不關(guān)閉電源情況下對(duì)某些部件進(jìn)行插入（連接）或拔出（斷開(kāi)）操作。下面要談的正是在一個(gè)嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)中對(duì)其擴(kuò)展部件或板卡的硬件熱插拔技術(shù)，將根據(jù)接口上的信號(hào)類(lèi)型等探討熱插拔的危害產(chǎn)生原因及防止危害發(fā)生的一般性措施。本文以下部分將把要插拔的兩塊電路板分別稱(chēng)為主電路板（正在運(yùn)行的嵌入式主電路板）和擴(kuò)展板。

一、熱插拔設(shè)計(jì)的重要性

對(duì)正在工作的電路板進(jìn)行熱插拔通常都是不被許可的，但在有些時(shí)候卻是難于避免的，比如使用者疏忽或特殊功能要求等。對(duì)未采取任何保護(hù)措施的嵌入式電路板進(jìn)行熱插拔操作，其將帶來(lái)的損害通常是很?chē)?yán)重的，包括電源電路損壞，單片機(jī)IO口燒壞，單片機(jī)復(fù)位或死機(jī)，或者與接口相連的IC出現(xiàn)部分或全部管腳燒壞等。這些故障將導(dǎo)致嵌入式電路板產(chǎn)生永久性損害，或在重新上電之前系統(tǒng)無(wú)法再正常工作。因此，在嵌入式系統(tǒng)的擴(kuò)展接口設(shè)計(jì)中加入一定的熱插拔保護(hù)措施是十分必要的。熱插拔操作對(duì)嵌入式電路板的危害通常表現(xiàn)在三方面：過(guò)電流沖擊、瞬態(tài)過(guò)電壓、靜電釋放[1]。進(jìn)行熱插拔設(shè)計(jì)的目標(biāo)應(yīng)是在不增加太多硬件成本的前提下，使設(shè)計(jì)出的電路板不因熱插拔操作造成系統(tǒng)復(fù)位、死機(jī)或?qū)υ骷a(chǎn)生永久性損害。

二、電源與地接口的防過(guò)電流沖擊熱插拔設(shè)計(jì)

當(dāng)把擴(kuò)展板插入正在工作的嵌入式主電路板中時(shí)，擴(kuò)展板上的各類(lèi)電容和IC需要瞬間從主電路板的電源處上吸走大量電荷，給電源造成一個(gè)短暫的低阻抗路徑，造成一次浪涌電流[1]。此浪涌電流可以把系統(tǒng)電壓拉低到系統(tǒng)重置閾值以下，造成單片機(jī)復(fù)位，甚至燒毀電源電路。在硬件設(shè)計(jì)時(shí)通常采取如下措施進(jìn)行應(yīng)對(duì)：

1.在擴(kuò)展接口的電源網(wǎng)絡(luò)上使用大容量電容（可以用并聯(lián)方式獲得）減輕擴(kuò)展板上電過(guò)程中對(duì)主電路板電源電壓的影響。主電路板電源電路中的電容量最好要比擴(kuò)展板的蓄能電容量之和稍大。

2.在擴(kuò)展接口的電源網(wǎng)絡(luò)上串入電源專(zhuān)用的磁珠以減少上電瞬間的電流尖峰，并阻斷高頻噪聲信號(hào)的干擾。

3.如果浪涌電流特別大并且系統(tǒng)允許復(fù)位，為保護(hù)主電路板上的電源電路可以考慮在電源入口處加自恢復(fù)保險(xiǎn)絲讓電源在過(guò)流瞬間自動(dòng)切斷。如果系統(tǒng)對(duì)熱插拔時(shí)的穩(wěn)定性要求更高可以使用目前市面上的專(zhuān)用熱插拔控制器LM5069等，這些器件具有功率和電流限制的能力[2]。

在熱插拔操作時(shí)為提高設(shè)備的熱插拔壽命，熱插拔動(dòng)作應(yīng)避免來(lái)回抖動(dòng)，并且兩次熱插拔之間的時(shí)間間隔不要太短；如果擴(kuò)展板的負(fù)荷可以先行卸除，最好不要帶負(fù)荷進(jìn)行熱插拔。

三、電源與地接口的防過(guò)電壓沖擊熱插拔設(shè)計(jì)

進(jìn)行熱插拔操作前不同設(shè)備的接口之間可能存在一定的電位差，尤其是使用了隔離電源或共模電感的“浮地”系統(tǒng)。雖然這類(lèi)電位差是瞬間的且沒(méi)有多大的電流能力，但此電位差通常會(huì)超出各類(lèi)IC的最高工作耐壓而損壞IC。如果在熱插拔同時(shí)還伴隨著靜電釋放，在接口接觸瞬間產(chǎn)生的過(guò)電壓和過(guò)電流沖擊會(huì)更加厲害，可以瞬間燒毀電路板中脆弱環(huán)節(jié)上的IC。應(yīng)對(duì)此類(lèi)危害的唯一辦法是快速鉗位電壓，即在接口附近的電源與地之間以及比較脆弱的信號(hào)與地之間使用具有浪涌能量吸收能力和內(nèi)部散熱能力的壓敏電阻或TVS管之類(lèi)的浪涌電壓抑制器等保護(hù)措施。

圖一 電源與地接口的熱插拔設(shè)計(jì)例子Fig.1 HOT-SWAN design of VCC and GND network on interface

圖二 常見(jiàn)信號(hào)接口的熱插拔設(shè)計(jì)Fig.2 HOT-SWAN design of general signal interface

四、電源與地接口在結(jié)構(gòu)上的熱插拔設(shè)計(jì)

現(xiàn)在CMOS器件已經(jīng)在各種電路上廣泛使用，CMOS器件的一個(gè)缺點(diǎn)是容易產(chǎn)生閂鎖效應(yīng)而燒毀。在熱插拔過(guò)程中VCC和GND的突然變化或者芯片I/O口電壓超出VDD-GND的范圍時(shí)很容易發(fā)生閂鎖效應(yīng)。如果接口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理造成在熱插拔過(guò)程中I/O口信號(hào)已經(jīng)連接上而GND或VCC還沒(méi)有連接上，這時(shí)極易發(fā)生閂鎖效應(yīng)而燒毀芯片。因此，在接口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須保證接口在帶電插入過(guò)程中要先讓GND和VCC連接上再連接I/O口；反之在帶電拔出過(guò)程中則需要先拔出I/O口再斷開(kāi)VCC和GND。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)可以采取如下措施：把GND和VCC放在接口兩端、并在接口上多放幾個(gè)GND信號(hào)，或者把GND和VCC的插針做得比其它信號(hào)插針稍微長(zhǎng)些等。圖一是按一般熱插拔要求設(shè)計(jì)的一款主電路板電源與地的接口實(shí)例。

五、常見(jiàn)信號(hào)接口的熱插拔設(shè)計(jì)

對(duì)嵌入式電路板上單片機(jī)的片上外設(shè)（on-chip peripheral）類(lèi)信號(hào)口（比如SPI輸出口），通常其耐電壓和電流沖擊能力并不是很強(qiáng)，如果需要把這些信號(hào)接口在電路板上擴(kuò)展出去最好先把這些信號(hào)經(jīng)過(guò)外部邏輯門(mén)電路處理后（比如兩次反相）再接到擴(kuò)展接口上。

對(duì)耐電壓和電流沖擊能力較強(qiáng)的單片機(jī)GPIO信號(hào)接口可使用阻容電路進(jìn)行簡(jiǎn)單保護(hù)。其中的電阻能起到限流作用，電阻值可根據(jù)信號(hào)辨識(shí)的需求選在幾歐到幾百歐之間；而對(duì)地的小濾波電容則能起到濾除瞬間電壓尖峰的作用，電容值可根據(jù)信號(hào)線上傳遞的信號(hào)頻率特性選在幾百pF到幾nF之間。

對(duì)比較脆弱而又關(guān)鍵的重要信號(hào)接口（比如SPI輸入口、并行總線接口等）可以在信號(hào)端口與電源和地之間使用雙向二極管對(duì)信號(hào)電壓進(jìn)行精準(zhǔn)鉗位。這樣可確保此類(lèi)接口上的電壓不會(huì)超出芯片的工作電壓范圍，能起到非常好的保護(hù)作用。圖二是一款常見(jiàn)信號(hào)接口的熱插拔設(shè)計(jì)實(shí)例（電源和地部分參見(jiàn)圖一）。

嵌入式系統(tǒng)電路的接口熱插拔設(shè)計(jì)通常是一個(gè)反復(fù)和復(fù)雜的過(guò)程。在設(shè)計(jì)時(shí)通常需要通過(guò)熱插拔實(shí)驗(yàn)把接口電路中的脆弱環(huán)節(jié)找出來(lái)，然后采取針對(duì)性的措施進(jìn)行應(yīng)對(duì)，要做到既不增加太多硬件成本又能滿足一般的熱插拔需要。熱插拔問(wèn)題是各類(lèi)電子設(shè)備中都會(huì)面臨到的一個(gè)問(wèn)題，本文探討的熱插拔設(shè)計(jì)技術(shù)在電路設(shè)計(jì)中具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

[1]凌有慧,張胡.熱插拔的硬道理[J].微型計(jì)算機(jī),2003(23):107-111.

[2]National Semiconductor Corporation.LM5069 Positive High Voltage Hot Swap/Inrush Current Controller with Power Limiting data sheet,2008.