eFuse IC(电子保险丝/熔断器)可以热插拔吗?

eFuse IC(电子保险丝/熔断器)是防止板卡和插接件热插拔时产生浪涌电流的有效措施。此外,eFuse IC不仅具有应对这一问题所需的浪涌电流抑制功能,而且具有内置热关断、短路保护、过压钳位、反向电流阻断等功能,从而能够搭建更稳定的系统。

对于通信设备、网络设备、数据中心服务器、存储系统等应用,工作人员可在系统运行时更换或扩展故障板卡和模块,重新连接线缆等。此外,对于计算机设备和智能手机等移动设备,带电情况下连接和断开USB和HDMI等线缆是很常见的。在通电且不影响系统运行的情况下拆装组件称为热插拔。尽管可能并不完全相同,但热插拔有时也称为带电插拔。
下面说明假定使用热插拔交错连接器(插座)。这种连接器带有一条长的地线(GND),因此插入时最先接触地线,拔出时最后脱离地线。

图1:热插拔设备
图1:热插拔设备

热插拔有两种模式。
1)设备工作时插入板卡或线缆。
2)设备工作时拔出板卡或线缆。
如果不采取措施,这种插拔可能导致设备内部工作的系统出现问题。
考虑连接和断开板卡的设备,如图1所示。

图2:插入板卡时设备状态
图2:插入板卡时设备状态

1)插入板卡 
图2使用开关表示插入的等效状态。图中“D”表示使用交错连接器时,相对于地线接触延迟。
插入的板卡通过连接器加电时,电容C(F)开始充电,包括板卡电源线和地线之间存在的寄生电容。如果电源电压是V(V),则插入时的充电电流IC(A)由以下公式表示。
IC=C×dV / dt
上升时间(dV / dt)随电源线和地线阻抗而变化,但如果不进行处理,会立即上升。因此,这种电流(浪涌电流)非常大,可能超过系统预期最大电流值。这种过流会损坏连接器等器件,或导致板卡连接的背板电源电压短暂下降等问题,造成其他板卡、模块和设备需要重置。
为了应对这种情况,需要将抑制浪涌电流的元件(如eFuse IC)插入电源线路。eFuse IC不仅具有浪涌电流抑制功能,而且具有内置热关断、短路保护、过压箝位和反向电流阻断功能,从而能够搭建更稳定的系统。

图3:板卡拔出时设备状态
图3:板卡拔出时设备状态

2)拔出板卡
图3使用开关表示拔出板卡的等效状态。
如果取下板卡,供电也将被切断。拆下板卡的一侧,存储在电容器中的电荷放电,电路停止工作。设备一侧可能出现问题。取下的板卡的供电会突然中断。此时,电源线和地线的寄生电感L产生自感电动势防止电流变化。自感电动势VL由以下公式表示。
VL=- L×dI / dt
由于电流变化减少(停止),VL将叠加在电源电压VCC上。叠加电压VL的大小取决于板卡电流、电感以及供电电压输出阻抗的大小。VCC + VL加到与拔出板卡使用同一电源电压的设备,这可能造成情况劣化或损坏。如果需要采取相应措施,可在设备一侧的电源线和地线之间插入齐纳二极管。
一般情况下,板卡一侧消耗的电流不大,
因此叠加电压VL也不是很大。请检查实际机器决定是否有必要采取这种措施。

图4:热插拔设备电源线对策示例
图4:热插拔设备电源线对策示例

此外,由于板卡一侧存在电感,板卡可能产生负电压。这种负电压的大小取决于设备关断前的负载电流和电感。为了防止出现这种电压,需要降低(缩短和加粗)eFuse IC控制的电源线和地线的电感。检查实际设备,如果负电压的大小成为问题,可插入肖特基势垒二极管(SBD)来解决。
(图4显示热插拔设备电源线对策示例)

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