支持熱插拔連接器的設計原理

邊 疆，王 建

(1.總裝備部武漢軍代局駐鄭州軍代室，河南鄭州450047;2.中航光電科技股份有限公司，河南洛陽471003)

1 引言

熱插拔(Hot swapping或Hot plugging)即“帶電插拔”，指在系統(tǒng)背板帶電運行的情況下，拔出或者插入子系統(tǒng)，而不會導致系統(tǒng)或子系統(tǒng)的損壞，并且保證系統(tǒng)在熱插拔過程中以及該過程完成之后仍能正常工作。對于不支持熱插拔的系統(tǒng)來說，每次插入或拔出子系統(tǒng)均要求完全關斷整個系統(tǒng)的電源，插拔過程結束后進行系統(tǒng)重啟。但由于電信及數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)工作的重要性，不允許系統(tǒng)有長時間的系統(tǒng)重啟等待時間;甚至不允許系統(tǒng)斷電。因此，熱插拔在電信及數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)變得非常重要，甚至成為電信產(chǎn)品的一種強制性指標［1］。通過熱插拔能夠減少或避免系統(tǒng)斷電，提高系統(tǒng)的可靠性，減少了由于故障子系統(tǒng)替換而引起的系統(tǒng)掉電時間。

熱插拔是一個非常復雜的問題，實現(xiàn)熱插拔需要硬件和軟件兩方面的支持。本文將主要論述連接器層面如何解決熱插拔問題。

2 熱插拔造成的影響

在連接器層面上，熱插拔造成的影響主要有浪涌電流和電弧。

進行熱插拔時，子系統(tǒng)上輸入電容的充電會產(chǎn)生浪涌電流，該電流會對連接器引腳和PCB印制線造成永久性破壞，同時在系統(tǒng)電源上產(chǎn)生短時的脈沖干擾而造成系統(tǒng)時鐘抖動、偏移，從而引起其他子系統(tǒng)復位;對于一個多電源混合的系統(tǒng)，進行熱插拔可能會破壞各種電源之間工作次序的配合關系，從而損壞系統(tǒng)中的器件，使之無法正常工作;此外，進行熱插拔會產(chǎn)生電弧，從而破壞連接器接觸件鍍層，甚至導致系統(tǒng)斷電或起火。同時，子系統(tǒng)的增減將導致系統(tǒng)配置的改變，操作系統(tǒng)因不識別增減了子系統(tǒng)而導致系統(tǒng)運行出錯;熱插拔對系統(tǒng)的瞬態(tài)干擾使總線的數(shù)據(jù)失常，從而使軟件的運行出錯。

2.1 浪涌電流的產(chǎn)生［2-4］

當一個子系統(tǒng)插入主機系統(tǒng)時，主機系統(tǒng)已處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，其上所有電容均已充滿電荷，而待插入的子系統(tǒng)是不帶電的。因此，插入時子系統(tǒng)上輸入電容(由電源、芯片的旁路或去耦電容以及各種分布電容組成)的充電會從主機系統(tǒng)電源和總線上吸入很大的瞬態(tài)電流，即浪涌電流，如圖1;同樣，當把帶電的子系統(tǒng)拔出背板時，子系統(tǒng)上輸入電容放電也將產(chǎn)生較大的瞬態(tài)電流。

圖1 子系統(tǒng)輸入電容的組成

對于一個正在工作的系統(tǒng)來說，一塊未加電的子系統(tǒng)連接到背板所產(chǎn)生的浪涌電流將會對系統(tǒng)造成一個很大的干擾，破壞系統(tǒng)中正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息，也會使背板電源出現(xiàn)瞬時跌落導致系統(tǒng)或其他功能模塊的復位，并將導致電路板上元器件的損壞。該電流也會永久性地損壞連接器引腳和PCB的印制線。

2.2 電弧的產(chǎn)生

對于高電壓(如48Vd.c.@9A)的熱插拔，其所產(chǎn)生的浪涌電流已經(jīng)變得微不足道，但是會有電弧產(chǎn)生。如果系統(tǒng)的工作電壓遠大于連接器插針和插孔金屬的最小拉弧電壓，在一個子系統(tǒng)進行熱插拔時將有電弧產(chǎn)生。電弧會破壞連接器接觸件鍍層，甚至導致系統(tǒng)斷電或起火。在帶電接觸件即將接觸/分離，或在接觸/分離的過程中，觸頭間存在很小的間隙，電場強度很高。若場強大于3×10E6V/m，陰極表面便有電子被電場拉出，并在電場下向陽極加速運動，途中與中性原子或分子碰撞，產(chǎn)生更多的電子和正離子，而且會產(chǎn)生高溫使陰極有更多的電子向外發(fā)射，最終在觸頭間產(chǎn)生高溫高電導的游離氣體，形成電弧。

3 支持熱插拔連接器的設計原理

對于不同特征的系統(tǒng)來說，設計熱插拔連接器的目標是不一樣的。AMP公司熱插拔工作小組通過對各種環(huán)境下熱插拔的大量、反復的研究，獲得了以下結論:熱插拔產(chǎn)生的浪涌電流對輕負荷系統(tǒng)的干擾最嚴重［1］，如傳輸LVDS低壓差分信號(工作電壓＜5V，工作電流mA級)的背板。所以，對于輕負荷的系統(tǒng)，熱插拔連接器的設計目標是如何控制浪涌電流的產(chǎn)生。而對于高電壓(如48Vd.c.@9A)系統(tǒng)的熱插拔，其所產(chǎn)生的浪涌電流已經(jīng)變得微不足道，但是很容易產(chǎn)生電弧。所以，其設計目標是如何消除電弧。

3.1 輕負荷系統(tǒng)連接器設計原理

如果能實現(xiàn)在子系統(tǒng)早期上電但尚未與系統(tǒng)總線接觸時，器件處于“三態(tài)”(即高阻態(tài))，那么當子系統(tǒng)與系統(tǒng)總線相觸時，可將總線與子系統(tǒng)剛接觸時產(chǎn)生的瞬態(tài)電流降低到最小程度，最大限度地減小對總線的瞬態(tài)干擾，保護了總線上的數(shù)據(jù)不被破壞。子系統(tǒng)的預充電可以實現(xiàn)這個功能，而實現(xiàn)子系統(tǒng)的預充電的一個重要途徑是采用連接器插針分級。

連接器采用分級針腳使得子系統(tǒng)插入或拔出時各插針按一定的順序與系統(tǒng)進行連接或斷開，因而在原理上使得連接器可實現(xiàn)熱插拔。分級插針的長度分為長、中長、短三級。其中，電源、地引腳為長插針，中長插針接信號，最短的插針用來激活該板。當子系統(tǒng)插入時，電源、地插針首先接通，對該子系統(tǒng)進行早期加電，然后是中長插針與系統(tǒng)總線接通，最后是短插針接通，并向系統(tǒng)發(fā)出一個使能信號，系統(tǒng)由此知道有一個子系統(tǒng)已經(jīng)插好，即開始對它進行初始化。當該子系統(tǒng)拔出時，上述事件發(fā)生的順序正好相反。

一般來說，子系統(tǒng)預充電在4ms的時間內(nèi)即可完成，1.5mm的針長差即可滿足4ms的時間差要求。因此在IEC 61076－4－101中規(guī)定，連接器長、中長、短三級針腳長短差為1.5mm。

國內(nèi)外在熱插拔方面做了大量的研究，一些研究結果已經(jīng)形成規(guī)范，如CompactPCI熱插拔技術規(guī)范。下面將以CompactPCI熱插拔技術規(guī)范為例來說明連接器通過針腳分級如何實現(xiàn)熱插拔。

我的汽車停在路上，壓著雙黃線，但不再有人在意這類事。與以往不同，汽車第一下啟動就成了，仿佛它知道這次的啟動關系重大。我將衛(wèi)星導航器扔出車窗。當我駕車時，天空顏色變得越來越淺，太陽光悄悄地射進來，就像瑞安在宵禁后躡手躡腳溜回家。很快，整個世界就像什么事都沒發(fā)生過一樣。我從汽車雜物箱里摸索出太陽眼鏡，盡管太陽早已經(jīng)在滑向地平線。

CompactPCI熱插拔技術規(guī)范規(guī)定了連接器熱插拔時的插入順序，以及背板上的插針長短分級，如圖2所示。

圖2 接觸件熱插拔時的插入順序

從圖2中可以看出，背板的部分電源(+5V，+3.3V，V(I/O))和接地(GND)插針最長，確保最先連接和最后斷開，用以在總線信號針連接前為硬件預先充電。PCI總線插針和其他信號針采用中等長度，避免了CompactPCI子板上電容充電對總線的影響。BD_SEL#采用最短插針，確保其接觸時其他插針已穩(wěn)定連接。

CompactPCI子板插入時的物理連接過程如下:

1)子板ESD條進入導軌，第一段、第二段和第三段ESD條依次與基座地線接觸，釋放靜電。

2)子板與背板長針(GND和+5V，+3.3V，V(I/O)插針)開始接觸。電源控制器和總線端口電路上電，子板上去耦電容充電。長針電源將總線信號穩(wěn)定在充電電壓(1V)。

3)子板與背板中長針(總線信號/時鐘/電源)開始接觸。子板上總線信號針開始跟隨系統(tǒng)總線信號的電平變化、開始接收時鐘信號。供電電路已連接好，但工作主電源(后期電源)此時仍然關閉。

4)子板與背板短針BD_SEL#接觸。該針在背板上接地，接觸時使子板上的BD_SEL#信號由高電位轉變?yōu)榈碗娢唬硎咀影逡讶坎迦?，子板物理連接過程結束。

子板拔出時的物理連接過程如下:

1)子板與背板短針BD_SEL#斷開。預充電電源開始供電、工作主電源關閉。

2)子板與背板中長針(總線信號/時鐘/電源)斷開。

3)子板與背板長針斷開，預充電電源去除。

4)子板脫離背板ESD導軌前，第二段和第三段ESD條依次與基座地線接觸，釋放靜電。

5)子板脫離背板ESD導軌。

附錄Ⅰ是一個3U的CompactCPI板卡，采用的是2mm連接器，表Ⅰ.Ⅰ是針腳的定義。從表Ⅰ.Ⅰ可以看出，連接器針腳長度分3個等級，即:長、中長和短;長引腳定義為GND和+5V，+3.3V，V(I/O)，短引腳定義為BD_SEL#和IDSEL，其余接中長引腳。

對于輕負荷系統(tǒng)來說，除了采用連接器針腳分級的技術方法來實現(xiàn)系統(tǒng)熱插拔，還必須輔以其他的硬件技術，如在板上增加電源控制器控制電源的上升速率、異步復位、增加狀態(tài)和控制寄存器，用單負荷時鐘系統(tǒng)來代替原來的雙負荷時鐘系統(tǒng)等［1］。

3.2 重負荷系統(tǒng)連接器的設計原理

在設計重負荷系統(tǒng)(如48VDC@9A)的熱插拔連接器時，重點要防止連接器在熱插拔時產(chǎn)生電弧，采用的方法有:犧牲插針、在產(chǎn)生電弧點外包裹一種聚合物、在產(chǎn)生電弧的方向吹惰性氣體、提高連接器分離速度等。

將插孔的護套加長，即在插針和孔真正接觸前，使電弧產(chǎn)生在護套與插針之間，犧牲插針，保護插孔，從而在一定程度上減弱了電弧所產(chǎn)生的破壞作用，如圖3所示。該技術方法即為犧牲插針。

圖3 犧牲插針技術方法圖例

《一種在電源連接器上利用導電聚合物實現(xiàn)熱插拔的方法》(文獻［6］)中介紹了利用導電聚合物避免產(chǎn)生電弧的方法，即將導電聚合物安裝在背板電源連接器前端，并且使其中一個接觸件與聚合物相連(如圖4)，使拔插時電弧放電發(fā)生在導電聚合物中，從而避免金屬接觸件之間產(chǎn)生電弧。

圖4 電源連接器前端安裝導電聚合物

在《一種利用聚合物抑制在直流負載系統(tǒng)熱插拔過程中電弧對連接器的損害的方法》(文獻［7］)中，采用了在產(chǎn)生電弧點外包裹一層碳氫聚合物，用其吸收電弧釋放的熱量，且其受熱后釋放氣體，提高產(chǎn)生電弧所需的電壓，減少電弧存在的時間和破壞作用，如圖5所示。實驗發(fā)現(xiàn)碳氫聚合物中加入適量阻燃劑可以更好地抑制電弧產(chǎn)生。

犧牲插針的技術方法轉移了電弧產(chǎn)生的位置，但沒有消除電弧，雖保護了插孔，但是犧牲了插針，在一定程度上減弱了電弧造成的危害。在插座插合面上增加導電聚合物和在插孔外包裹一層碳氫聚合物的技術方法是通過提高產(chǎn)生電弧所需的電壓，減少電弧存在的時間來避免或減弱電弧的影響。

圖5 外裹聚合物釋抑制電弧的原理

后兩種技術方法一定程度上可以避免電弧的產(chǎn)生，但是結構復雜，且尚處于試驗階段，成本較高，而犧牲插針的技術方法，結構簡單，工藝成熟，成本很低。

4 結論

綜上所述，設計支持熱插拔的連接器時應充分考慮連接器的工作環(huán)境。對于輕負荷系統(tǒng)(如工作電壓＜5V，工作電流mA級)的連接器，采取連接器插針長短分級、針腳長度差控制在1.5mm以上的方法;對于重負荷系統(tǒng)(如48Vd.c.@9A)的連接器，則主要通過轉移電弧產(chǎn)生的位置、增加產(chǎn)生電弧所需的電壓、減少電弧存在的時間來控制電弧的產(chǎn)生或將產(chǎn)生的電弧吸收的方法，以減少其危害。

附錄ⅠCompactCPI板卡及P1/J1連接器針腳定義表

表I.I CompactCPI板卡P1/J1連接器針腳定義表

［1］ Compact PCI熱插拔技術研究現(xiàn)狀評述，《測控技術》2002年第10期

［2］ 《一種低壓熱插拔控制芯片的設計》，劉毅，華中科技大學2006年碩士學位論文

［3］ 電源和信號的可熱插拔連接器的設計，《交流技術與電力牽引》2001年02月，第34－36頁

［4］ 低壓電源熱插拔和上電順序控制，《今日電子》2004年第4期，第24、36頁

［5］ CompactPCI Hot Swap Specification，PICMG 2.1 R2.0，Jan 17，2001

［6］ A novel concept utilizing conductive polymers on power connectors during hot swapping in live modular electronic systems，IEEE 2005

［7］Mitigation of Connector Damage During Disengaging DC Loads Using Polymeric Arc Suppressor.IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies，Vol.28，No.2 JUNE 2005 IEEE，2005