热插拔真的安全吗？本文告诉你
作者Barley Li
热插拔，即带电插拔，主要发生在不关闭系统电源的情况下，将模块、板卡、部件插入（连接）或拔出（断开）系统来执行测试、故障排除或信号调整，而不影响系统的正常工作，从而提高了系统的可靠性、快速维修性、冗余性和对灾难的及时恢复能力等。
其中一个常见例子就是数据中心的电源可能发生故障，因此需要在不关闭整个服务器网络的情况下维修或更换电源。可是，在仍然通电的情况下突然断开电路的连接，如果一不小心进行插入和拔出组件，或会影响系统的正常工作，甚至会直接损坏系统。
热插拔的危害
对不支持热插拔的系統，如果本身设备可能存在较高电位差，当进行热插拔，也许会引发闩锁效应。如果没有采取即时的相应措施，这种较高的电位差将对设备上的芯片构成危害。另外，由于一部份电路是处于上电工作状态，一旦热插拔时，或会使设备内稳定工作的板子也受静电干扰。
还有，当单板插入设备时，由于单板上的电容并未充电，浪涌电流会将在短时间内从电源系统流入电容。这浪涌电流瞬间下降时会拉低总线电平，导致系统错误复位、闩锁效应，更严重会导致连接器和元器件烧掉。
除此之外，在热插拔过程中可能会发生两个问题——短路和电弧。
在热插拔时，组件和输入和输出引脚或会损坏。特别在连接电路板时，引脚以错误的顺序连接，会导致短路，或会直接损坏系统。
当连接器插入或拔出时或会产生电弧，并且在连接器的插针和电气有源组件之间会产生放电。这会导致连接器壳体和端子的损坏，并在结构上削弱连接的完整性。需要考虑的是，电弧的大小和持续时间取决于设备系统提供的功率。具有较高电压和电流的系统所承受的电弧将大于具有较低电压和电流的系统，但这并不意味着在功率较低的系统中不会发生电弧，只是电弧不那么显着且损害较小。
热插拔连接器
为了确保带电拔插在不损坏设备的情况下安全地连接，连接器生产商设计了一些特制的热插拔连接器，如先通后断的连接器，以确保拔插之前已建立好接地和系统电源的连接。
先通后断连接器产品是以先通后断设计的。先通后断连接器采用特定于应用的接地设计，允许在建立电源连接之前先建立接地连接，并在电源连接断开之前一直保持连接
以下是一些热插拔连接器的例子：
• 泰科电子的滑轨电源连接器
在热插拔元器件替换时，使用TE的滑轨电源连接器能够让服务器在带电运行中实现电子元器件热插拔操作。该电源解决方案适合于电流高达75A的应用，无需在设备内布设体积庞大的电缆管理系统。由于电源和服务器直连，滑轨电源连接器还改善了电缆电压降。由于减少了电缆系统的使用，滑轨电源连接器使连接更可靠。
图1：滑轨电源连接器的视图
• Mill-Max的FMLB连接器
FMLB 连接器是一款弹簧式产品，并加入了单排和双排先通后断的连接器。该连接器支持必须依次连接和断开电信号而不是一次连接/断开全部信号的应用 (例如热插拔)，常用于电源或信号连接之前需确保建立接地路径的长场景。
• Amphenol的SAS 4.0连接器
SAS 4.0连接器适合用于速度达到24Gb/s的新一代服务器。29位的插座和插头连接器具有热插拔和盲插、连接器错位补偿以及实现可靠SMT连接的PCB固定机构等特征。这种连接器符合SATA标准，满足垂直和直角配置需求，可用于服务器和存储设备、硬盘驱动器和硬盘驱动器托架。
热插拔控制器
除了特制的热插拔连接器外，还需要考虑在插入式模块或单板上是否需要一块板载热插拔控制器。热插拔控制器为那些在带电背板上进行的插拔操作，提供了两项重要的功能：
• 当电路板插入时，它可限制具有潜在破坏性的浪涌电流。
• 它可起一个电路断路器的作用，并在断路之前维持可容许的最大电流和最长时间。
热插拔控制器可以为整个系统提供连续保护、防止短路和过流故障。
以TI的TCA4307为例——TCA4307 热插拔 I2C 总线缓冲器支持将 I/O 卡插入带电背板，而不会损坏数据和时钟总线，适用于背板连接。TCA4307在 I/O 外设卡上，当发生热插入事件时可将卡上的 I2C 设备安全地连接到背板。建立连接后，该器件将提供双向缓冲，从而使背板和卡的电容保持分离。
在插入过程中，SDA 和 SCL 线路被预充电至1V，从而使为器件寄生电容充电所需的电流降至最低。这1V预充电功能有助于限制外设卡 SDA/SCL 连接时潜在的浪涌电流。
图 2：TCA4307 用于背板应用的原理
TCA4307也具有卡住总线恢复功能，起到一个电路断路器的作用。如果TCA4307检测到 SDAOUT 或 SCLOUT 处于低电平约40毫秒，它会自动断开总线。一旦总线断开，该器件会在SCLOUT上自动生成多达16个脉冲，尝试将总线保持低电平来复位器件。
当I2C总线空闲时，可以通过将EN引脚设置为低电平来使TCA4307进入关断模式，从而降低功耗。 当EN被拉高时，TCA4307恢复正常工作。 它还包括一个开漏 READY 输出引脚，表示背板和卡侧连接在一起。当READY为高电平时，SDAIN和SCLIN连接到SDAOUT和SCLOUT。 当两端断开时，READY为低电平。
热插拔评估板
善用Digi-Key智能产品搜索，可以在Digi-Key网站內找到不少的热插拔評估板，如:
• ADI 的評估板
• Renesas 的評估板
• TI的評估板
• Vicor 的評估板
想了解Digi-Key智能产品搜索功能，可点击这里查看。
本文小结
虽然热插拔极大地方便了我们对电子产品的使用，但并不意味着任何电子产品都可以随意插拔。 在设计电子系统时，确认产品是否需要支持热插拔可能是其中重要的一环，这样才能享受到使用产品的便利，又能最大限度的保护我们的设计成果。
