单板带电插拔设计规范-songlin226-ChinaUnix博客

1、目的

本规范旨在规范单板带电插拔设计，将带电插拔设计的关键因素进行规范化，确保单板的安全性。

2、范围

本规范规定了单板带电插拔设计规范的术语、效应分析、设计原则等。本规范适用于单板带电插拔的原理和电路设计。

3、定义

3.1. 带电插拔

指系统在上电工作的情况下，插入或拔出单板，使其脱离工作状态或开始进入工作状态。

3.2. 背板

在系统中用于连接各电路板使之作为一个整体，固定在机框上的PCB板。通常安装有接插件，也可能安装有用于电路驱动、耦合、匹配的相关电子器件。也通称母板。

3.3. 电路板

在系统中的一个功能部件，通过接插件与背板相连，由相关电子器件及接插件组成的一块PCB板。也通称单板。

3.4. 快速插拔

快速插拔是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间隔。

3.5. 慢速插拔

慢速插拔是指在单板插拔时尽量加长单板电源接触母板插针和单板信号接触母板插针时间间隔。慢速插拔一般用于测试单板软件的保护能力。

4、效应分析

下图给出被插拔单板的接口模型：

VCC是电源，对于一些带有二次电源模块的单板，VCC可能由机框总电源（如－４８V）变换而来，其启动时间可能会更慢一些。S1是输入信号，S2是三态输出信号，GND是工作地。

VCC与GND之间一般是滤波网络。

VCC与S1信号线（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。

5、带电插拔的影响

５.1. 不同插针导通先后产生的影响

可分为对系统的影响和对被插单板的影响两部分：

在某一时刻，导通的插针不一样时，单板对系统所表现出的负载特性是不一样的，导通插针在某些组合情况下可能会影响系统的正常工作。实际插拔时，如果不对插针导通的顺序加以任何控制，指针导通的时间可能相差毫秒量级，甚至可以达到秒级，这样就完全可能出现影响工作的情况。

经过实测，位置靠近的指针导通的时间差比较小，大概为１ms量级，位置相隔远的插针导通的时间差比较大，可达到０.5秒量级。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。譬如对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），信号会通过二极管向电源端灌流，结果可能会使系统上其它相应单板的对应输出信号负载过大，从而影响系统的正常工作。

不同插针的导通具有相当大的时差。特别是当加上带电插拔座时，电源与其它插针之间的导通时差更大。为了保证被插拔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。

不同插针导通先后对被插单板的另一影响是，使被插单板CMOS接口器件容易产生闩锁。因为如果不对插针的导通先后加以控制，很容易出现信号线线导通先于电源导通的情况，这增加了发生闩锁的可能。

５.２. 插针导通瞬间产生的高频脉冲影响

由于每根插针可等效为与其连接电路的一个感性或容性负载，在恶劣插拔时容易产生振荡，振荡产生高频脉冲的结果是把该高频脉冲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。

５.3.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。在带电插拔期间，其它单板正好在输出信号，如果被插单板在此期间的三态门被打开，就会出现两个门同时往总线输出信号的情况，产生数据冲突。因此设计上必须保证被插单板的输出门处于高阻态，否则可能引发错误。譬如，做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，三态门就没有可能被开启。

不只三态门，其它形式的输出门也存在类似的问题。

因此要尽量在设计上保证单板的所有输出初始状态处于三态的高阻态，以及没有大电流的信号输出。

５.4.信号线负载接入的暂态效应

暂态效应主要是指电源上的暂态。由于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，或者被插单板电子器件进入工作状态的瞬间电流较大，另外受电源内阻及背板走线电阻的影响，可能会造成正在工作的单板的工作电源电压出现大幅波动，影响其工作状态，从而影响其他单板的工作。譬如电压抖降的幅度超过一定限度值，会引起系统中的其他单板复位。

对于没有专门电源插座的单板而言，由于单板的电容充电效应及器件的同时启动，单板被插入瞬间电流很大，而接插件上电源针位与背板还没有良好接触，接触电阻较大，可能会发生打火现象，产生较强的电磁辐射，烧坏接插件。

信号线接口设计不当也可能会引起这种负载突然接入的暂态效应，从而影响到背板上的信号，设计时一定要注意这方面的问题，避免影响到背板信号的匹配及背板输出信号的瞬间过载。

6设计原则

带电插拔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。

6.1.注意带电插入电路板时插针接通的次序

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。其中，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。相应地，拔出单板时，要求掉电顺序正好与之相反。

在被插电路板上应安装带电插拔座，在背板上应安装对应的带电插拔插针。一般情况，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。设计要求：

1) 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。

2) 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。

3) 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。

6.2.注意带电插拔单板的输出信号的状态

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，三态门处于关闭状态。

6.3.带电插拔电路板软件开工时刻的建议

由于被插单板从被插入到其它插针全部导通需要一定时间，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。

6.4.注意避免带电插拔负载接入的暂态效应

对于直接由母板提供工作电压的单板，电源输入应采用π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。

效果较好的是π型电源滤波器，它的基本电路形式为图1所示。

单板中π型电源滤波器的容性及感抗参数应按实际需要进行选择，滤波器中的C1与C3，C2与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C4一般为独石或磁片电容，主要是滤除电源上的高频噪声。C1的值一般在10uF-47uF之间，C2一般选择在0.01uF-0.1uF之间。电感的作用为抑制电流瞬间变化，电感越大，抑制效果越好。但同时电感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，这样会对后面的负载产生影响。故参数不宜过大，推荐的参数为10uH-40uH。标准值为10uH。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，兼顾考虑板内负载大小及板内其他去耦电容的数量，推荐参数为C3容值在10uF-50uF之间，C4容值在0.01uF-0.1uF之间。电容电感的实际取值要由单板的电路及单板需要完成的功能具体决定。

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。参考电路如下：

通过电阻（R）和电容（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。

6.5.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引入或拉出，而要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。

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。因此，建议采用ABT系列的缓冲器（如ABT16244）进行隔离。需要注意的是，ABT16244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。

对于差分信号，建议采用ABT系列的接口芯片，如ABT26C31/ABT26C32等，以提高单板抗过压、过流的能力。

6.6.注意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，由于地电位的不一致，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。下例为RS-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。