干貨分享丨如何規避產品熱拔插行為
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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，是日常生活和工業制造過程中比較常見的現象，如帶電拔插一些“USB、適配器、板卡”等，以及部分工程師在產品調試過程中的帶電操作。
面對不同的應用場景和零部件差異，產品或系統對熱拔插的接受度有比較大的差異，熱拔插可能會導致系統的重啟、故障，甚至損壞一些敏感的零部件。
從產品設計、應用的角度來說，熱拔插對產品有什么要求呢？
二、熱拔插對于產品的考驗
（一）熱拔插行為會產生什么樣的影響？
① 尖峰電壓
插拔過程常會因為抖動或接觸不良導致輸入電壓供電不穩定，再配合后端線纜或系統間的等效阻抗、感抗情況，通常會產生一些電壓尖峰或振鈴現象。
當波動的峰值電壓超出后端器件應力，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電容內還沒有電荷，當插拔件與主板接觸的瞬間，電容會快速從系統吸入大量電能，在供電回路上會形成比穩態工作大數倍的浪涌電流，瞬態的浪涌沖擊輕者會導致系統重啟復位、電壓閃爍、通信異常等，嚴重的會燒壞元器件、導線、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會與設備電荷發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是上電工作狀態，在ESD影響下，會更容易引發端口敏感器件的損壞，還會引發“閂鎖效應”之類的連環故障。
④ 干擾問題
通訊設備插拔過程中，電容的充電狀態會有低阻抗的回路，產生的瞬態電流會干擾附件設備通信、拉低總線電平，影響設備間或系統內的通信情況。
（二）熱拔插產生的負面影響及產品設計上的防護
對于不同的設計需求，方法往往是多樣的，下文提供一些常見的一些防護設計經驗。
① 尖峰電壓抑制：一般可以用RC網絡吸收緩沖或匹配設計TVS/齊納二極管做鉗位電壓，保證敏感部件的供電在應力承受的范圍內。
②浪涌沖擊防護：一般會從增加回路阻抗來抑制瞬態沖擊或者增加導通回路入手，防止沖擊電流直接破壞系統。
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，對高等級的浪涌防護經常會組合使用多種防護器件，利用多級防護達到有效的保護效果。
對于一些特殊的應用場景，可以增加專門的熱拔插控制電路設計或者緩啟動設計，通過調節啟動的時間、順序來防止浪涌的沖擊；也可以結合物理架構的設計，通過“交錯式引腳”，來達到調節啟動順序的目的。
③ 靜電影響防護：一般可以在敏感器件端口并聯ESD電容、TVS/齊納二極管、壓敏、氣體放電管等防護器件，可以達到一定的防護效果，必要的時候可以增加多級的濾波、箝壓設計，來達到更高的ESD防護效果。
也可以在物理上，增加放電距離或者增加放電回路介質的阻抗，來達到靜電防護抑制的效果。
④通訊干擾抑制：一般是通過限制浪涌電流、泄放ESD能量、增加網絡節點上下電設計多種措施達到保證通訊正常的效果。
三、如何避免熱拔插的負面影響
首先從應用出發，如果應用現場沒有必要的熱拔插行為，應該明確禁止用戶端的熱拔插操作，并進行對應的警告提示、宣導培訓、防呆設計等。
對于必須熱拔插應用的現場，需要針對熱拔插的負面影響做專門的防護設計，第二章分享了部分經驗。
我們常見的開關電源、模塊電源除非特殊說明，一般都是不支持熱拔插行為的，在設計應用過程中，應盡量避免熱拔插行為。如果現場實際有熱拔插風險，應選用有專門熱拔插防護的產品或者沖擊耐受等級更高的產品。
