CN103345460B - 一种用于实现热插拔的通信模块及终端 - Google Patents

一种用于实现热插拔的通信模块及终端 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于实现热插拔的通信模块及终端，通信模块包括：Mini‑PCIe接口、电源开关、充电单元、延时单元和启闭控制单元；充电单元、电源开关、延时单元、启闭控制单元分别连接Mini‑PCIe接口，电源开关连接充电单元，充电单元连接通信模块的电源端；Mini‑PCIe接口的USB数据管脚短于其电源管脚。通信模块在热拔插时，预先保存USB数据或完成上电后再进行USB切断或通讯，确保数据的完整性；热插时先由升高通信模块的电源电压，在预定延时到达后控制电源开关打开，避免瞬间电流损坏元件；启闭控制单元根据主机系统在电源开关打开后输出的控制信号启闭通信模块，提高系统的稳定性和可靠性。

Description

一种用于实现热插拔的通信模块及终端
技术领域
本发明涉及移动通信技术，特别涉及一种用于实现热插拔的通信模块及终端。
背景技术
目前的通信模块常用的有3G模块和4G模块，其以USB接口为主（具体采用Mini-PCIe接口），将其插入手机、平板电脑等终端、与其内部的主机系统连接即可实现上网功能。3G/4G模块在使用时常与终端的USB接口进行热插拔操作，即带电插拔、允许用户在不关闭系统，不切断电源的情况下取出或更换3G/4G模块。这种方式只需简单的插入、拔出动作即可取出3G/4G模块，且系统保持不间断地正常运行，从而提高了系统对灾难的及时恢复能力、扩展性和灵活性。
但是，现有的3G/4G模块在热插拔时存在以下问题：
1、USB接口数据损坏。现有3G/4G模块的PCB板在设计时，所有信号、数据管脚的长度均相等，如USB数据接口的USB数据管脚D+（正数据）、USB数据管脚D-（负数据）与电源管脚的长度相同。当3G/4G模块拔出时，USB的通讯和数据同时断开，此时数据可能仍在传输中，主机系统还来不急保存数据导致部分数据丢失。
2、电源接口产生瞬间大电流。3G/4G模块在插入时，主机系统输出的电源电压会立即输入到3G/4G模块的电源端，产生一个大的瞬间电流。该大电流可能会烧损3G/4G模块的电源模块中的部分元件，导致系统工作失常、甚至崩溃。
3、接通电源立即开启3G/4G模块产生瞬间大电流。现有的3G/4G模块在插入后，主机系统会立即启动该模块。由于3G/4G模块一上电就开始启动，会产生一个大的瞬间电流，对主机系统的电源电压造成瞬间的跌落，严重影响系统的稳定性和可靠性。
因而现有技术还有待改进和提高。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种用于实现热插拔的通信模块及终端，以解决现在技术中通信模块进行热插拔时出现数据损坏、产生大的瞬间电流导致系统不稳定的问题。
为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：
一种用于实现热插拔的通信模块，包括Mini-PCIe接口，所述Mini-PCIe接口与主机系统连接，其还包括：
电源开关，用于控制主机系统的供电端与通信模块的电源端的通断；
充电单元，用于在电源开关关闭时产生充电电流来升高通信模块的电源电压；
延时单元，用于产生预定延时，在预定延时到达后控制电源开关打开；
启闭控制单元，用于根据主机系统在电源开关打开后输出的控制信号控制通信模块启闭；
所述充电单元、电源开关、延时单元、启闭控制单元分别连接Mini-PCIe接口，所述电源开关连接充电单元，所述充电单元连接通信模块的电源端；
所述Mini-PCIe接口的USB数据管脚短于Mini-PCIe接口的电源管脚。
所述的用于实现热插拔的通信模块中，所述USB数据管脚的长度短于电源管脚长度的±0.1mm。
所述的用于实现热插拔的通信模块中，所述电源开关为MOS场效应管，所述MOS场效应管的源极连接Mini-PCIe接口的第24引脚、充电单元的第一输入端和延时单元的输入端，所述MOS场效应管的栅极连接延时单元的输出端，所述MOS场效应管的漏极连接充电单元的第二输入端。
所述的用于实现热插拔的通信模块中，所述充电单元包括第一电阻、第一电容和第二电容；所述第一电阻的一端连接MOS场效应管的源极、Mini-PCIe接口的第24引脚和延时单元的输入端，所述第一电阻的另一端连接MOS场效应管的漏极、第一电容的一端、第二电容的正极和通信模块的电源端；所述第一电容的另一端和第二电容的负极均接地。
所述的用于实现热插拔的通信模块中，所述第一电阻的阻值为20欧姆，所述第一电容的容值为100pF，所述第二电容的容值为150uF。
所述的用于实现热插拔的通信模块中，所述延时单元包括第二电阻和第三电容，所述第二电阻的一端连接MOS场效应管的栅极，第二电阻的一端还通过第三电容连接第一电阻的一端和MOS场效应管的源极，第二电阻的另一端接地。
所述的用于实现热插拔的通信模块中，所述第二电阻的阻值为220K，所述第三电容的容值为1uF。
所述的用于实现热插拔的通信模块中，所述第一电阻和第二电容的时间常数小于第二电阻和第三电容的时间常数。
所述的用于实现热插拔的通信模块中，所述通信模块为3G模块或4G模块。
一种终端，包括主机系统，其还包括所述的用于实现热插拔的通信模块，所述主机系统连接通信模块；所述主机系统在通信模块的电源开关打开后生成一控制信号启闭通信模块。
相较于现有技术，本发明提供的用于实现热插拔的通信模块及终端，在通信模块进行热拔或热插时，设置Mini-PCIe接口的USB数据管脚短于Mini-PCIe接口的电源管脚，使主机系统预先保存USB数据或完成上电准备，再进行USB切断或通讯，确保了数据的完整性和稳定性；在热插时，由充电单元先升高通信模块的电源电压，在延时单元的预定延时到达后再控制电源开关打开，避免此时产生的瞬间大电流损坏电子元件；同时，启闭控制单元根据主机系统在电源开关打开后输出的控制信号控制通信模块启闭，避免了瞬间大电流对主机系统的电源电压造成的瞬间跌落，提高了系统的稳定性和可靠性。
附图说明
图1为本发明用于实现热插拔的终端的结构框图。
图2为本发明用于实现热插拔的通信模块与主机系统的部分管脚示意图。
图3为本发明用于实现热插拔的通信模块的PCB图。
图4为本发明用于实现热插拔的通信模块的PCB图中A部分的放大示意图。
图5为本发明用于实现热插拔的通信模块与Mini-PCIe接口的电路图。
具体实施方式
本发明提供一种用于实现热插拔的通信模块及终端，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，本发明提供的用于实现热插拔的通信模块包括Mini-PCIe（Peripheral Component Interconnect Express，基于PCI-E总线的接口）接口，所述Mini-PCIe接口与主机系统连接。所述通信模块还包括电源开关100、充电单元200、延时单元300和启闭控制单元400。所述充电单元200、电源开关100、延时单元300、启闭控制单元400分别连接Mini-PCIe接口，所述电源开关100连接充电单元200，所述充电单元200连接通信模块的电源端V_IO。所述Mini-PCIe接口为Mini-PCIe_GOLD-FINGER、即金手指接口，其具有接触电阻小，防氧化等特点。
所述通信模块为3G模块或4G模块，本发明仅以通信模块中有所改进的部分模块、即上述的电源开关100、充电单元200、延时单元300和启闭控制单元400为实施例进行阐述，通信模块中的其余模块为现有技术，在此不作详述。
本实施例中，通信模块采用Mini-PCIe接口与主机系统连接，为了使通信模块的插头插入或拔出主机系统的插座时、即热插入或热拔出时能避免数据丢失或保存失败，在设置通信模块的PCB板时，使USB数据管脚的长度短于PCB板上电源管脚的长度，如图2和图3所示。在图2中，插头表示通信模块的Mini-PCIe接口，仅示出Mini-PCIe接口中的USB数据管脚和电源管脚。插座表示主机系统的接口，仅示出接口中的USB数据管脚和电源管脚，其余管脚未示出。从图2中可以看出，通信模块的Mini-PCIe接口的USB数据管脚D-（负数据）和USB数据管脚D+（正数据）均比其电源管脚VBUS短，而主机系统插座上的各个管脚保持原状。在绘制PCB板时，如图3左边所示的一排管脚，只有USB数据管脚D-和USB数据管脚D+比其余管脚短，而通信模块的其余部分管脚（包括电源管脚，图中未标出）保持原来的长度，且这些管脚的长度均相等。本实施例中，所述通信模块的USB数据管脚D-和USB数据管脚D+的长度比通信模块的电源管脚的长度短1/3左右，较佳地为电源管脚长度的±0.1mm。
请再次参阅图2和图3，由于Mini-PCIe接口的USB数据管脚D-和USB数据管脚D+短于其他管脚、如电源管脚VBUS，当通信模块插入主机系统、即插头插入插座时，通信模块的Mini-PCIe接口的电源管脚VBUS先与主机系统插座上的电源管脚VBUS接通，整个系统先通电工作起来，然后Mini-PCIe接口的USB数据管脚D-和USB数据管脚D+再分别与主机系统上的USB数据管脚D-和USB数据管脚D+接通，进行USB通讯。这样主机系统中的CPU（CentralProcessing Unit，中央处理器）就能提前对通信模块加电，系统已经稳定后再做好准备等待USB数据的传输。
当通信模块拔出时，Mini-PCIe接口的USB数据管脚D-和USB数据管脚D+先与主机系统的USB数据管脚D-和USB数据管脚D+断开、即USB通讯先断开；此时CPU即可处理USB的断开事件并保存好相关数据。之后，通信模块的电源管脚VBUS再与主机系统的电源管脚VBUS断开连接，通信模块断电。在具体实施时，Mini-PCIe接口的USB数据管脚D-和USB数据管脚D+的长度可以比其他管脚短0.5mm，如图4所示的L的长度。根据插拔速度的不同，电源管脚VBUS断开的时间比所述USB数据管脚D-和USB数据管脚D+断开的时间会延后大约几百毫秒，则在所述USB数据管脚D-和USB数据管脚D+断开之后、电源管脚VBUS断开之前就有了几百毫秒的时间段，CPU在这个时间段内足以处理完USB断开事件并保存好相关数据。这样在通信模块断电前CPU已经保存所有数据、并停止了数据的传输，就可避免现有技术中断电与断开数据传输同时进行导致数据丢失、保存失败的问题，大大提高了数据的完整性和正确性。
为了避免通信模块插入时电源接口产生一个大的瞬间电流，所述通信模块通过充电单元200和延时单元300来控制电源开关100的启闭。请同时参与图1和图5，所述电源开关100用于控制主机系统的供电端与通信模块的电源端V_IO、即充电单元200的输出端3连接或断开。所述电源开关100为MOS场效应管Q1，所述MOS场效应管Q1的源极连接Mini-PCIe接口的第24引脚（即3.3VAUX端）、充电单元200的第一输入端1和延时单元300的输入端4，所述MOS场效应管Q1的栅极连接延时单元300的输出端5，所述MOS场效应管Q1的漏极连接充电单元的第二输入端2。主机系统的供电端提供的系统电源SYSTEM_POWER通过Mini-PCIe接口J1的第24引脚传输至MOS场效应管Q1的源极、充电单元200的第一输入端1和延时单元300的输入端4。在具体实施时，所述MOS场效应管Q1为PMOS管，当其栅极输入低电平时，MOS场效应管Q1导通；当其栅极输入高电平时，MOS场效应管Q1截止。Mini-PCIe接口J1为现有技术，图5中仅示出与本发明有关的引脚及其端口名。
所述充电单元200在电源开关100关闭时、即MOS场效应管Q1截止时产生充电电流来升高通信模块的电源电压，使通信模块的电源端V_IO上的电源电压G_POWER从0V逐渐上升至接近或等于主机系统的系统电源SYSTEM_POWER。所述充电单元200包括第一电阻R1、第一电容C1和第二电容C2；所述第一电阻R1的一端连接MOS场效应管Q1的源极、Mini-PCIe接口J1的第24引脚和延时单元300的输入端，所述第一电阻R1的另一端连接MOS场效应管Q1的漏极、第一电容C1的一端、第二电容C2的正极和通信模块的电源端V_IO；所述第一电容C1的另一端和第二电容C2的负极均接地。
第一电阻R1的另一端与MOS场效应管Q1的漏极、第一电容C1的一端和第二电容C2的正极的交点为充电单元200的输出端3，也即是通信模块的电源端V_IO。当MOS场效应管Q1截止时，系统电源SYSTEM_POWER通过第一电阻R1对第一电容C1和第二电容C2进行小电流充电。充电电流的大小为（V_SYSTEM_POWER –V_G_POWER）/R1, VSYSTEM_POWER为系统电源SYSTEM_POWER的压值，V_G_POWER为电源电压G_POWER的压值。其中，第一电容C1为滤波电容，用于滤除高频、脉冲干扰，其容值为100pF。第二电容C2为大电容，用于充电、将脉冲耗电控制在适应的范围内，其容值为150uF。
所述延时单元300用于产生预定延时，在预定延时到达后控制电源开关打开、即使MOS场效应管Q1导通。所述延时单元300包括第二电阻R2和第三电容C3，所述第二电阻R2的一端连接MOS场效应管Q1的栅极，第二电阻R2的一端还通过第三电容C3连接第一电阻R1的一端和MOS场效应管Q1的源极，第二电阻R2的另一端接地。当通信模块刚插入时，系统电源SYSTEM_POWER传输至延时单元300的输入端4、即第三电容C3的一端。基于电容的特性，第三电容C3两端的电压不能突变，此时第三电容C3的另一端上的电压等于系统电源SYSTEM_POWER、则第二电阻R2上的电压Vg等于系统电源SYSTEM_POWER，相当于MOS场效应管Q1的栅极电压与源极电压相等，MOS场效应管Q1截止。由于此时第三电容C3的两端电压相等，但无压差，因此无能量。接着电压Vg上的电流通过第二电阻R2流向地，电压Vg开始逐渐下降，第三电容C3进行负充电；此时第三电容C3的两端开始出现压差，有能量产生。在电压Vg下降至使MOS场效应管Q1导通的开关阈值电压之前，MOS场效应管Q1保持截止状态，此时由第一电阻R1对第二电容C2充电。当电压Vg下降至等于所述开关阈值电压时，MOS场效应管Q1导通，由于MOS场效应管Q1的导通内阻很小可以忽略，通信模块的电源端V_IO可以看作直通主机系统的供电端，即电源电压G_POWER与系统电源SYSTEM_POWER相等，为通信模块提供了工作电压。由第二电阻R2和第三电容C3的值来确定MOS场效应管Q1的时延常数t，t=R2×C3×ln((VSYSTEM_POWER – Vg1)/VSYSTEM_POWER)，其中，VSYSTEM_POWER为系统电源SYSTEM_POWER的压值，Vg1为MOS场效应管的开关阈值电压。
需要注意的是，第一电阻R1、第二电阻R2、第二电容C2、第三电容C3的取值大小应满足：所述第一电阻R1和第二电容C2的时间常数小于第二电阻R2和第三电容C3的时间常数；也即是说，在第二电容C2充满电、且通信模块的电源电压G_POWER接近或等于系统电源SYSTEM_POWER之后，第三电容C3才完成负充电、即电压Vg下降至开关阈值电压。这是因为当电源电压G_POWER接近或等于系统电源SYSTEM_POWER时，从系统电源SYSTEM_POWER流向电源电压G_POWER的电流很小，此时再导通MOS场效应管Q1，也就避免了刚插入时具有一定压值的系统电源SYSTEM_POWER传输至0V的电源电压G_POWER出现大的瞬间电流，瞬间电流对电源开关100、即MOS场效应管Q1的冲击就小，也就不会烧损通信模块中电源模块内部的元件，对通信模块的电源影响变小。因此，根据上述第一电阻R1和第二电容C2的取值大小，相应地设置第二电阻R2的阻值为220K，第三电容C3的容值为1uF。
为了避免通信模块插入后就立即启动产生大的瞬间电流，主机系统的CPU在MOS场效应管Q1导通后，生成一控制信号来开启通信模块。所述控制信号通过Mini-PCIe接口J1的第49引脚（即RESERVED端）输出，传输至启闭控制单元的开机/关机控制线ON/OFF上。当通信模块处于关闭或工作状态时，开机/关机控制线ON/OFF上的电压默认为高电平，控制信号为一低电平脉冲。在通信模块处于关闭状态时，控制信号将开机/关机控制线ON/OFF上的电压转换为低电平，则通信模块响应该低电平实现开机动作，通信模块开机进入工作状态，由于低电平仅持续一段时间，之后开机/关机控制线ON/OFF上的电压又恢复为高电平。同理可知通信模块实现关机动作的原理。由于控制信号是在MOS场效应管Q1导通后生成的，此时整个系统都已稳定，且从系统电源SYSTEM_POWER流向电源电压G_POWER的电流很小，不会出现瞬间的大电流，从而避免了现有技术中通信模块插入后即刻工作对主系统电源电压造成瞬间的跌落，提高了系统的稳定性和可靠性。
本发明还提供一种终端，包括主机系统和上述的通信模块，所述主机系统连接通信模块；所述主机系统在通信模块的电源开关打开后生成一控制信号启闭通信模块。
下面请结合图1、3、5，以通信模块为4G模块插入手机、系统电源SYSTEM_POWER等于5V为例，分别阐述USB数据管脚、电源接口和4G模块启动三个方面的工作原理：
1、4G模块插入手机时，由于4G模块上的USB数据管脚D-和USB数据管脚D+比其余管脚短，4G模块的电源管脚先与手机插座上的电源管脚连接，先接通电源，之后所述USB数据管脚D-和USB数据管脚D+再接通。这样主机系统中的CPU完成上电做好准备后、再等待USB数据的传输；在系统稳定后传输或处理USB数据能确保数据的准确性。
2、4G模块插入后，主机系统的系统电源SYSTEM_POWER通过Mini-PCIe接口J1的第24引脚传输至MOS场效应管Q1的源极，此时第三电容C3两端的电压相等且为5V，即MOS场效应管Q1的栅极电压与源极电压相等且为5V，MOS场效应管Q1截止。此时，系统电源SYSTEM_POWER通过第一电阻R1对第一电容C1和第二电容C2进行小电流充电，此阶段内电压Vg的值随着第三电容C3的负充电过程逐渐降低。在第二电容C2充满电后，通信模块的电源电压G_POWER接近或等于系统电源SYSTEM_POWER。之后，第三电容C3完成负充电，电压Vg下降至开关阈值电压使MOS场效应管Q1导通，由于此时电源电压G_POWER接近或等于系统电源SYSTEM_POWER，系统电源SYSTEM_POWER传输至电源电压G_POWER的电流很小，即对MOS场效应管Q1的冲击变小。避免出现4G模块插入后立即导通MOS场效应管Q1，5V的系统电源SYSTEM_POWER传输至0V的电源电压G_POWER时产生一个大的瞬间电流、冲击MOS场效应管Q1导致其烧损，影响系统电源的问题。
3、主机系统的CPU检测到MOS场效应管Q1导通后，生成一控制信号通过Mini-PCIe接口J1的第49引脚输出，传输至通信模块的开机/关机控制线ON/OFF上，开启通信模块。基于MOS场效应管Q1导通后整个系统进入稳定状态，此时再开启通信模块可避免对主系统电源电压造成瞬间的跌落，提高了系统的稳定性和可靠性。
综上所述，本发明提供的用于实现热插拔的通信模块及终端，设置Mini-PCIe接口的USB数据管脚的长度短于Mini-PCIe接口的其他管脚（包含了电源管脚）的长度，在通信模块进行热拔或热插时，使主机系统预先保存USB数据或完成上电准备，再进行USB切断或通讯，确保了数据的完整性和稳定性；在热插时，先截止MOS场效应管，对第二电容充电来升高通信模块的电源电压，在第二电容充满电、且通信模块的电源电压接近或等于系统电源之后，第三电容才完成负充电，控制MOS场效应管导通，减小了瞬间电流对MOS场效应管的冲击，稳定了系统电源。主机系统在MOS场效应管导通后输出控制信号启闭通信模块，避免了瞬间大电流对主机系统的电源电压造成的瞬间跌落，提高了系统的稳定性和可靠性。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于实现热插拔的通信模块，包括Mini-PCIe接口，所述Mini-PCIe接口与主机系统连接，其特征在于，还包括：
电源开关，用于控制主机系统的供电端与通信模块的电源端的通断；
充电单元，用于在电源开关关闭时产生充电电流来升高通信模块的电源电压；
延时单元，用于产生预定延时，在预定延时到达后控制电源开关打开；
启闭控制单元，用于根据主机系统在电源开关打开后输出的控制信号控制通信模块启闭；
所述充电单元、电源开关、延时单元、启闭控制单元分别连接Mini-PCIe接口，所述电源开关连接充电单元，所述充电单元连接通信模块的电源端；
所述Mini-PCIe接口的USB数据管脚短于Mini-PCIe接口的电源管脚；
所述电源开关为MOS场效应管，所述MOS场效应管的源极连接Mini-PCIe接口的第24引脚、充电单元的第一输入端和延时单元的输入端，所述MOS场效应管的栅极连接延时单元的输出端，所述MOS场效应管的漏极连接充电单元的第二输入端；
在预定延时到达后导通MOS场效应管，整个系统进入稳定状态；主机系统检测到MOS场效应管导通后，生成一控制信号通过Mini-PCIe接口的第49引脚输出，传输至通信模块的开机/关机控制线ON/OFF上，开启通信模块。
2.根据权利要求1所述的用于实现热插拔的通信模块，其特征在于，所述USB数据管脚的长度短于电源管脚长度的±0.1mm。
3.根据权利要求2所述的用于实现热插拔的通信模块，其特征在于，所述充电单元包括第一电阻、第一电容和第二电容；所述第一电阻的一端连接MOS场效应管的源极、Mini-PCIe接口的第24引脚和延时单元的输入端，所述第一电阻的另一端连接MOS场效应管的漏极、第一电容的一端、第二电容的正极和通信模块的电源端；所述第一电容的另一端和第二电容的负极均接地。
4.根据权利要求3所述的用于实现热插拔的通信模块，其特征在于，所述第一电阻的阻值为20欧姆，所述第一电容的容值为100pF，所述第二电容的容值为150uF。
5.根据权利要求1所述的用于实现热插拔的通信模块，其特征在于，所述延时单元包括第二电阻和第三电容，所述第二电阻的一端连接MOS场效应管的栅极，第二电阻的一端还通过第三电容连接第一电阻的一端和MOS场效应管的源极，第二电阻的另一端接地。
6.根据权利要求5所述的用于实现热插拔的通信模块，其特征在于，所述第二电阻的阻值为220K，所述第三电容的容值为1uF。
7.根据权利要求4所述的用于实现热插拔的通信模块，其特征在于，所述第一电阻和第二电容的时间常数小于第二电阻和第三电容的时间常数。
8.根据权利要求1所述的用于实现热插拔的通信模块，其特征在于，所述通信模块为3G模块或4G模块。
9.一种终端，包括主机系统，其特征在于，还包括权利要求1-8任意一项所述的用于实现热插拔的通信模块，所述主机系统连接通信模块；所述主机系统在通信模块的电源开关打开后生成一控制信号启闭通信模块。
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