干貨分享丨如何規(guī)避產(chǎn)品熱拔插行為
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2024-11-28
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一、常見的熱拔插行為
熱拔插即帶電插拔，是日常生活和工業(yè)制造過程中比較常見的現(xiàn)象，如帶電拔插一些“USB、適配器、板卡”等，以及部分工程師在產(chǎn)品調(diào)試過程中的帶電操作。
面對不同的應(yīng)用場景和零部件差異，產(chǎn)品或系統(tǒng)對熱拔插的接受度有比較大的差異，熱拔插可能會導(dǎo)致系統(tǒng)的重啟、故障，甚至損壞一些敏感的零部件。
從產(chǎn)品設(shè)計、應(yīng)用的角度來說，熱拔插對產(chǎn)品有什么要求呢？
二、熱拔插對于產(chǎn)品的考驗
（一）熱拔插行為會產(chǎn)生什么樣的影響？
① 尖峰電壓
插拔過程常會因為抖動或接觸不良導(dǎo)致輸入電壓供電不穩(wěn)定，再配合后端線纜或系統(tǒng)間的等效阻抗、感抗情況，通常會產(chǎn)生一些電壓尖峰或振鈴現(xiàn)象。
當(dāng)波動的峰值電壓超出后端器件應(yīng)力，則會造成器件不同程度的損壞。
② 浪涌沖擊
帶電工作時，儲能電容均被充滿，而插拔的零部件或單板系統(tǒng)電容內(nèi)還沒有電荷，當(dāng)插拔件與主板接觸的瞬間，電容會快速從系統(tǒng)吸入大量電能，在供電回路上會形成比穩(wěn)態(tài)工作大數(shù)倍的浪涌電流，瞬態(tài)的浪涌沖擊輕者會導(dǎo)致系統(tǒng)重啟復(fù)位、電壓閃爍、通信異常等，嚴(yán)重的會燒壞元器件、導(dǎo)線、電路板等。
③ 靜電問題
人體本身就是帶靜電的，尤其是干燥的冬天，所以在插拔的瞬間人體電荷機(jī)會與設(shè)備電荷發(fā)生重新分布的放電過程，由于熱拔插過程有一部分電路已經(jīng)是上電工作狀態(tài)，在ESD影響下，會更容易引發(fā)端口敏感器件的損壞，還會引發(fā)“閂鎖效應(yīng)”之類的連環(huán)故障。
④ 干擾問題
通訊設(shè)備插拔過程中，電容的充電狀態(tài)會有低阻抗的回路，產(chǎn)生的瞬態(tài)電流會干擾附件設(shè)備通信、拉低總線電平，影響設(shè)備間或系統(tǒng)內(nèi)的通信情況。
（二）熱拔插產(chǎn)生的負(fù)面影響及產(chǎn)品設(shè)計上的防護(hù)
對于不同的設(shè)計需求，方法往往是多樣的，下文提供一些常見的一些防護(hù)設(shè)計經(jīng)驗。
① 尖峰電壓抑制：一般可以用RC網(wǎng)絡(luò)吸收緩沖或匹配設(shè)計TVS/齊納二極管做鉗位電壓，保證敏感部件的供電在應(yīng)力承受的范圍內(nèi)。
②浪涌沖擊防護(hù)：一般會從增加回路阻抗來抑制瞬態(tài)沖擊或者增加導(dǎo)通回路入手，防止沖擊電流直接破壞系統(tǒng)。
熱敏、壓敏、氣體放電管都是常見抑制浪涌的有效器件，由于浪涌沖擊的能量大、破壞強(qiáng)，對高等級的浪涌防護(hù)經(jīng)常會組合使用多種防護(hù)器件，利用多級防護(hù)達(dá)到有效的保護(hù)效果。
對于一些特殊的應(yīng)用場景，可以增加專門的熱拔插控制電路設(shè)計或者緩啟動設(shè)計，通過調(diào)節(jié)啟動的時間、順序來防止浪涌的沖擊；也可以結(jié)合物理架構(gòu)的設(shè)計，通過“交錯式引腳”，來達(dá)到調(diào)節(jié)啟動順序的目的。
③ 靜電影響防護(hù)：一般可以在敏感器件端口并聯(lián)ESD電容、TVS/齊納二極管、壓敏、氣體放電管等防護(hù)器件，可以達(dá)到一定的防護(hù)效果，必要的時候可以增加多級的濾波、箝壓設(shè)計，來達(dá)到更高的ESD防護(hù)效果。
也可以在物理上，增加放電距離或者增加放電回路介質(zhì)的阻抗，來達(dá)到靜電防護(hù)抑制的效果。
④通訊干擾抑制：一般是通過限制浪涌電流、泄放ESD能量、增加網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上下電設(shè)計多種措施達(dá)到保證通訊正常的效果。
三、如何避免熱拔插的負(fù)面影響
首先從應(yīng)用出發(fā)，如果應(yīng)用現(xiàn)場沒有必要的熱拔插行為，應(yīng)該明確禁止用戶端的熱拔插操作，并進(jìn)行對應(yīng)的警告提示、宣導(dǎo)培訓(xùn)、防呆設(shè)計等。
對于必須熱拔插應(yīng)用的現(xiàn)場，需要針對熱拔插的負(fù)面影響做專門的防護(hù)設(shè)計，第二章分享了部分經(jīng)驗。
我們常見的開關(guān)電源、模塊電源除非特殊說明，一般都是不支持熱拔插行為的，在設(shè)計應(yīng)用過程中，應(yīng)盡量避免熱拔插行為。如果現(xiàn)場實際有熱拔插風(fēng)險，應(yīng)選用有專門熱拔插防護(hù)的產(chǎn)品或者沖擊耐受等級更高的產(chǎn)品。
