[发明专利]一种以太网交换机用热插拔控制装置和工业以太网交换机

说明书

技术领域

本发明涉及通信领域，特别涉及一种用于工业以太网交换机的热插拔控制装置和工业以太网交换机。

背景技术

在工业通信系统中，由于实时数据交换的需要，对于通信系统来说一般要求系统不能断电，在这种情况下就产生了一些设备器件带电操作的问题。

如图1所示，为现有技术中的一种通信设备的基本供电结构示意图。多个业务板卡通过专用插槽插接于背板（或称主板、母板）中，电源通过背板的48V母线对插接在背板的各个业务板卡供电。

如上所述，在工业通信系统中，由于实时数据交换的需要，对于通信系统来说一般要求系统不能断电，这样在安装和拆卸背板上的各个业务板卡的过程中，电源通过背板对其他业务板卡的供电便不能中断，这里就需要开发能够满足不断电情况下进行业务板卡安装和拆卸的热插拔技术。

热插拔指的就是设备操作人员在不用断电的情况下，直接拔插设备上的各个板卡，也就是在拔插图1中各个业务板卡时，背板48V母线不能断电，以免影响其他业务板卡的工作。但是在不做防护的情况下，热插拔会产生瞬间电压尖峰，损坏业务板卡和/或背板上的器件，同时产生瞬间大电流，如果电压在10V以上，电流几十安培，就会产生电气火花，对接插件（如插槽）造成损坏，在特定应用场合，比如矿井，炼油厂等，电气火花更会造成爆炸等事故。

电气火花产生的原因是：在插拔的时候，两个将要结合或分开的端子，会在将要接触或者分离的瞬间以及在接触很小的时候，产生放电，原因是气体中含有少量正负离子，在外施电压的作用下，离子加速运动，在碰撞中离子数目大大增加，这些离子在电场中的定向运动就形成电流。电流通过气体时伴随着强烈的发热过程，以致电流通道内的中性气体分子被电离而形成等离子体。

现在一般通信应用场合，主要有两种方法来解决电器火花产生的问题。其核心思想在于，增大环路阻抗来限制上电瞬间的电流，在插拔过程中，上电瞬间的电流更大，所以在以下分析时，只分析上电时的问题。

第一种方案：在回路中串联电阻R1，增加环路阻抗，减小电流。

如图2所示，在背板和业务板卡之间的插接件位于背板的一侧并联一电容C₁，在插接位于业务板卡一侧与业务板卡电路之间并联一电容C₂，并在业务板卡电路和电容C₂的总电路上串联一电容R₁。

其原理是：在上电前，也就是图2中接插件接通前，电容C₁中的电压为V_C1，电容C₂中的电压为V_C2=0。在接插件接通的瞬间，环路电流I=I₁+I₂，因为V_C2为零，所以在上电瞬间忽略电流I₂，所以有如下关系

I=I₁=(V_C1-V_C2)/R₁（1）

图2中，如果没有R₁或者R₁很小，电流I会很容易达到几十安培，进而产生电火花。通信装置的常用电压为48V，如果电阻R₁电阻值为4.8Ω以上，就可以把电流限制在10A以下，以保证上电安全。

第一种方案的缺点是，回路中的电阻R₁会一直消耗功率，Ploss=I²R，例如当主板功率较大，回路中电流为10A，R₁上消耗的功率将会是Ploss=100×4.8=480W。由于各方面的原因，如此大的功率浪费在R₁上是不能接受的。

第二种方案，如图3所示，在图2的基础上，将电阻R₁换成MOS（Metal Oxide Semiconductor，金属氧化物半导体）管Q₁。根据MOS管的特性，在它的GS电压（栅源电压）小于开启电压时，它的DS（漏极-源极）特性呈现可变电阻特性，高于开启电压时，DS呈现恒阻，而且很小，在毫欧级。通过对其栅极施加电压控制，可以实现在上电开始是让MOS管的DS呈现大电阻特性，限制初始上电电流，在上电完成后，DS之间电阻几乎可以忽略，这样就解决图2中电阻R₁功耗大的问题。