什么是带电插拔

小嘿QA2020-04-14 14:47:36阅读(...)

热插拔 (Hot Swap) 即带电插拔,指的是在不关闭系统电源的情况下,将模块、板卡插入或拔出系统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。

热插拔 (Hot Swap) 即带电插拔,指的是在不关闭系统电源的情况下,将模块、板卡插入或拔出系统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。对于大功率模块化电源系统而言,热插拔技术可在维持整个电源系统电压的情况下,更换发生故障的电源模块,并保证模块化电源系统中其他电源模块正常运作。

什么是带电插拔

功能特点

热插拔(hot-plugging 或 Hot Swap)即带电插拔,热插拔功能就是允许用户在不关闭系统,不切断电源的情况下取出和更换损坏的硬盘、电源或板卡等部件,从而提高了系统对灾难的及时恢复能力、扩展性和灵活性等,例如一些面向高端应用的磁盘镜像系统都可以提供磁盘的热插拔功能。具体用学术的说法就是:热替换(Hot replacement)、热添加(hot expansion)和热升级(hot upgrade)。热插拔技术是实现电源连续运行和不停机维护的关键技术。对电源设备关键部件进行冗余备份,并在不中断系统工作的条件下更换出故障的电源和对系统进行扩容,是提高电源系统可靠性最有效的方法,因此电源的热插拔技术受到越来越多的关注。

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。

而使用热插拔技术只要简单的打开连接开关或者转动手柄就可以直接取出硬盘,而系统仍然可以不间断地正常运行。

原理介绍

根据热插拔的定义,热插拔应该包括电源热插拔和信号热插拔两方面。

要实现电源热插拔,就是要将电源母线上的瞬态浪涌电流控制在比较低的水平。当可更换电源模块加入电源热插拔设计时,电源母线上的瞬态浪涌电流被限制在一个较低的水平,同时也不会造成整个系统电压下降,避免了热插拔过程给电源系统带来的危害,从而实现电源热插拔的目的。

由此可见,电源热插拔功能主要通过限流来实现。实现方法主要有两种:一种是 PTC 电阻 (正温度系数热敏电阻) 限流,PTC 电阻依靠本身的电流发热改变阻抗, 从而降低电流的幅度,其缺点是反应速度慢,而且长时间使用会影响使用寿命;另一种是 MOS 管通断法,此方法反应速度快,使用寿命长。

信号热插拔的目的是将信号线与系统处理器进行适当“隔离”,并在模块断电之前终止一切通信。当电源模块没有加入信号热插拔设计时,信号线上产生瞬变电压,可能导致系统通信异常。当加入信号热插拔设计后,瞬变电压被限制在合理水平,并预先通知系统处理器终止通信任务,实现信号热插拔。目前,信号热插拔功能主要通过信号线串联缓冲器来实现。

热插拔过程

热插拔过程如图所示,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。

热插拔的实现如下图所示,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。

热插拔优点

系统中加入热插拔的好处包括:

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容而不影响系统操作。

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。

电路设计

早期的热插拔技术实现路径主要是是靠电容和电感,实现对冲击的瞬间抑制,但是这种做法有可能导致电源受到巨大冲击,然后系统有可能因此发生复位和重启,后来依靠三极管技术和分立器技术,用新型的热插拔芯片,逐渐实现了热插拔技术电流控制目标。

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。

卡式冗余电源热插拔

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。在该控制器发生故障的情况下,其卡式操作具体作用如下,12 伏电源为输入的冗余电源,在插卡槽里面分别将电源的两端设置在卡槽的俩拧断,在控制器能够对卡槽进行连接的情况下,分别有正电源和负电源接触电路,才能方便电路正常工作,其两个控制模块都受到控制卡槽的控制,将冗余的电源实现逻辑控制,在二极管之间实现接近于零的控制。

在电流超过限制的时候,控制器会进行关闭,在 FB 引脚的电位出现下降的时候,会和 R6 发生连接,引脚会发生高电位的电源故障控制,引脚芯片会发生控制开关,当电压处于高位的时候,电源将打开至 MOSET,其中几个控制电源都会事先暂时关闭,然后电源芯片打开了电路,电源故障的时候会引致 ON 至小电源的电路,并关闭电源芯片。

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