干货分享丨如何规避产品热拔插行为

摘要：本文分析了常见的热插拔行为，对产品的影响及解决方法，从而保证日常电源的使用中的供电稳定和用电安全，供大家学习参考。

关键字：热插拔、尖峰电压、浪涌冲击、电路保护

一、常见的热插拔行为

热拔插即带电插拔，是日常生活和工业制造过程中比较常见的现象，如带电拔插一些“USB、适配器、板卡”等，以及部分工程师在产品调试过程中的带电操作。

 面对不同的应用场景和零部件差异，产品或系统对热拔插的接受度有比较大的差异，热拔插可能会导致系统的重启、故障，甚至损坏一些敏感的零部件。从产品设计、应用的角度来说，热拔插对产品有什么要求呢？

二、热插拔对产品的考验

01  热插拔行为会产生什么样的影响？

①尖峰电压   

 插拔过程常会因为抖动或接触不良导致输入电压供电不稳定，再配合后端线缆或系统间的等效阻抗、感抗情况，通常会产生一些电压尖峰或振铃现象。    

当波动的峰值电压超出后端器件应力，则会造成器件不同程度的损坏。

②浪涌冲击  

带电工作时，储能电容均被充满，而插拔的零部件或单板系统电容内还没有电荷，当插拔件与主板接触的瞬间，电容会快速从系统吸入大量电能，在供电回路上会形成比稳态工作大数倍的浪涌电流，瞬态的浪涌冲击轻者会导致系统重启复位、电压闪烁、通信异常等，严重的会烧坏元器件、导线、电路板等。③静电问题    

人体本身就是带静电的，尤其是干燥的冬天，所以在插拔的瞬间人体电荷机会与设备电荷发生重新分布的放电过程，由于热拔插过程有一部分电路已经是上电工作状态，在ESD影响下，会更容易引发端口敏感器件的损坏，还会引发“闩锁效应”之类的连环故障。

④干扰问题      

通讯设备插拔过程中，电容的充电状态会有低阻抗的回路，产生的瞬态电流会干扰附件设备通信、拉低总线电平，影响设备间或系统内的通信情况。

02 热拔插产生的负面影响及产品设计防护     

对于不同的设计需求，方法往往是多样的，下文提供一些常见的一些防护设计经验。

①尖峰电压抑制     

一般可以用RC网络吸收缓冲或匹配设计TVS/齐纳二极管做钳位电压，保证敏感部件的供电在应力承受的范围内。

②浪涌冲击防护      

一般会从增加回路阻抗来抑制瞬态冲击或者增加导通回路入手，防止冲击电流直接破坏系统。     

热敏、压敏、气体放电管都是常见抑制浪涌的有效器件，由于浪涌冲击的能量大、破坏强，对高等级的浪涌防护经常会组合使用多种防护器件，利用多级防护达到有效的保护效果。

 对于一些特殊的应用场景，可以增加专门的热拔插控制电路设计或者缓启动设计，通过调节启动的时间、顺序来防止浪涌的冲击；也可以结合物理架构的设计，通过“交错式引脚”，来达到调节启动顺序的目的。

③静电影响防护      

一般可以在敏感器件端口并联ESD电容、TVS/齐纳二极管、压敏、气体放电管等防护器件，可以达到一定的防护效果，必要的时候可以增加多级的滤波、箝压设计，来达到更高的ESD防护效果。     

 也可以在物理上，增加放电距离或者增加放电回路介质的阻抗，来达到静电防护抑制的效果。

④ 通讯干扰抑制      

一般是通过限制浪涌电流、泄放ESD能量、增加网络节点上下电设计多种措施达到保证通讯正常的效果。

03 如何避免热拔插的负面影响    

首先从应用出发，如果应用现场没有必要的热拔插行为，应该明确禁止用户端的热拔插操作，并进行对应的警告提示、宣导培训、防呆设计等。   

 对于必须热拔插应用的现场，需要针对热拔插的负面影响做专门的防护设计，第二章分享了部分经验。

三、小结

常见的开关电源、模块电源除非特殊说明，一般都是不支持热拔插行为的，在设计应用过程中，应尽量避免热拔插行为。如果现场实际有热拔插风险，应选用有专门热拔插防护的产品或者冲击耐受等级更高的产品。