CN109960201B - 一种热插拔式可拓展通用控制器 - Google Patents

一种热插拔式可拓展通用控制器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种热插拔式可拓展通用控制器，包括控制器背板，控制器背板通过热插拔连接器与功能板卡连接，控制器背板上设置有信号联接网和若干个功率管控电路，热插拔连接器的插座端包括小电流信号接点、功率信号接点和控制信号接点，小电流信号接点和功率信号接点的插孔中接触件的位置相同，控制信号接点的插孔中接触件的位置较小电流信号接点和功率信号接点更远离功能板，所有热插拔连接器的小电流信号接点与信号联接网连接，功率信号接点和控制信号接点与相对应的功率管控电路连接。本发明实现在功能板卡带电插拔过程中不出现电弧和浪涌现象。

Description

一种热插拔式可拓展通用控制器
技术领域
本发明涉及电子电路技术、热插拔连接器技术和模块化控制器技术，尤指通过连接器结构设计配合电子电路技术实现的扩拓展通用控制器，更具体地指一种热插拔式可拓展通用控制器。
背景技术
目前通用控制器技术发展已经相当成熟，实现了模块化设计，但是不具备热插拔功能，每次更换功能板卡，为保证连接器插拔时不出现电弧、浪涌现象，需对系统进行断电。在某些重要场合，断电会带来较大损失，且操作复杂，因此热插拔功能的实现很有必要性。
在服务器领域，在很多产品上实现了热插拔技术，可支持在不影响其他节点的情况下，对目标节点进行更换、维护等操作。该热插拔技术复杂度高，不适合应用于可扩拓展控制器领域。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种热插拔式可拓展通用控制器，实现了在功能板卡带电插拔过程中不出现电弧和浪涌现象。
为实现上述目的，本发明所设计的一种热插拔式可拓展通用控制器和装置，包括控制器背板，所述控制器背板通过热插拔连接器与功能板卡连接，其特殊之处在于，所述控制器背板上设置有信号联接网和若干个功率管控电路，每一个功能管控电路与一个热插拔连接器的插座端连接，一个热插拔连接器的插头端与功能板卡上的一个功能板连接，所述热插拔连接器的插座端包括小电流信号接点、功率信号接点和控制信号接点，所述小电流信号接点和功率信号接点的插孔中接触件的位置相同，控制信号接点的插孔中接触件的位置较小电流信号接点和功率信号接点更远离功能板，所有热插拔连接器的小电流信号接点与信号联接网连接，功率信号接点和控制信号接点与相对应的功率管控电路连接。
进一步地，所述功率管控电路包括N-MOS管、控制信号接点和功率信号接点，控制信号接点的正负极分别通过限流分压电阻与N-MOS管的漏极、栅极连接，所述功率信号接点的正负极分别与N-MOS管的源极、栅极连接。
更进一步地，所述功能板卡中包括电源板，所述电源板包括若干组电源信号和一组电源控制信号，每一组电源信号分别与电源板热插拔连接器中的一组电源信号插头端连接，电源控制信号与电源板热插拔连接器中的电源控制信号插头端连接，热插拔连接器中每一组电源信号插座端分别与一个功率管控电路连接，电源控制信号插座端与信号联接网连接。
更进一步地，所述功能板卡中包括主控板，所述主控板包括若干组功能信号和一组电源信号，所述电源信号与主控板热插拔器的电源信号插头端连接，每一组功能信号与主控板热插拔连接器的一组功能信号插头端连接，所述主控板热插拔连接器的电源信号插座端与一个功率管控电路连接，所有功能信号插座端与信号联接网连接。
更进一步地，所述功能板卡上还包括开关量输出板、开关量输入板、A/D转换板、D/A转换板、CAN通讯板和功能拓展板。
更进一步地，所述电源板中的若干组电源信号为不同型号的电源信号，所述主控板、开关量输出板、开关量输入板、A/D转换板、D/A转换板、CAN通讯板和功能拓展板相对应的功率管控电路与相应型号的电源信号的功率管控电路相连接。
更进一步地，所述信号联接网将电源板、开关量输出板、开关量输入板、A/D转换板、D/A转换板、CAN通讯板和功能拓展板的控制端分别与主控板上的一组功能信号插座端连接，连接端口通过软件配置。
更进一步地，所述控制信号接点的插孔中接触件的位置与小电流信号接点和功率信号接点的插孔中接触件的位置间距为2～3mm。
更进一步地，所述电源板中的电源信号包括+5v、+15v、-15v、+28v四种型号。
更进一步地，所述控制器背板为印制板，所述功能板卡采用统一接口的板卡。
本发明在控制背板上设计了信号联接网、功率管控电路和热插拔连接器，信号联接网实现将各板卡的资源整合分配，实现控制器模块化和独立化；功率管控电路实现功率信号的物理通道接通后，电气信号再接通；电气信号断开后，物理通道再断开。热插拔连接器将与功率管控电路的接触件分为功率信号部分和控制信号部分。其中，功率信号部分接触件组合采用常规模式，控制信号部分接触件组合采用插合时接触件比常规模式后接触(拔开时接触件先断开)的接触件组合。本发明通过在控制器背板上的功率管控电路和热插拔连接器，保证了在功能板卡带电插拔过程中，接插件插拔时不出现电弧和浪涌现象。
附图说明
图1为本发明一种热插拔式可拓展通用控制器的整体结构示意图。
图2为图1中热插拔连接器与功能板卡、控制器背板的连接示意图。
图3为图1中功率管控电路的电路图。
图4为热插拔流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
如图1所示，本发明所提出一种热插拔式可拓展通用控制器，包括控制器背板，控制器背板通过热插拔连接器与功能板卡连接。控制器背板上设置有信号联接网和若干个功率管控电路，每一个功能管控电路与一个热插拔连接器的插座端连接，一个热插拔连接器的插头端与功能板卡上的一个功能板连接，热插拔连接器的插座端包括小电流信号接点、功率信号接点和控制信号接点，小电流信号接点和功率信号接点的插孔中接触件的位置相同，控制信号接点的插孔中接触件的位置较小电流信号接点和功率信号接点更远离功能板。控制信号接点的插孔中接触件的位置与小电流信号接点和功率信号接点的插孔中接触件的位置间距为2～3mm。所有热插拔连接器的小电流信号接点与信号联接网连接，功率信号接点和控制信号接点与相对应的功率管控电路连接。
本发明提出的控制器背板采用模块化设计，基本连接关系如图2所示。控制器背板的形式为印制板或其他可实现板材(可实现信号连接和简单电路)，由信号联接网、功率管控电路和热插拔连接器组成，主要实现电源板、主控板及各功能板卡的信号互联，以及各板卡的热插拔功能。
信号联接网具体实施方案：以控制器背板为印制板形式为例，则采用印制线将主控板和电源板的资源连接到各热插拔连接器上。具体资源配置见表1。
表1信号联接网资源配置表
Figure BDA0002004139950000041
Figure BDA0002004139950000051
信号联接网将电源板、开关量输出板、开关量输入板、A/D转换板、D/A转换板、CAN通讯板和功能拓展板的控制端分别与主控板上的一组功能信号插座端连接，连接端口通过软件配置。
功能板卡，均采用标准接口(与热插拔连接器相对应)设计，将从主控板处理器引出到热插拔连接器上的地址总线、数据总线资源、I/O资源、ADC资源、DAC资源、串行总线资源等匹配相应的驱动电路与信号处理电路，实现相应的开关量输入、开关量输出、模拟量采集、CAN通讯等功能。功能板卡包括电源板、主控板、开关量输出板、开关量输入板、A/D转换板、D/A转换板、CAN通讯板和功能拓展板等等。
电源板包括若干组电源信号和一组电源控制信号，每一组电源信号分别与电源板热插拔连接器中的一组电源信号插头端连接，电源控制信号与电源板热插拔连接器中的电源控制信号插头端连接，热插拔连接器中每一组电源信号插座端分别与一个功率管控电路连接，电源控制信号插座端与信号联接网连接。本实施例中提出四组电源信号，分别为+5v、+15v、-15v、+28v四种型号，主控板、开关量输出板、开关量输入板、A/D转换板、D/A转换板、CAN通讯板和功能拓展板相对应的功率管控电路与相应型号的电源信号的功率管控电路相连接，资源配置信息见图1和表1。
主控板包括若干组功能信号和一组电源信号，电源信号与主控板热插拔器的电源信号插头端连接，每一组功能信号与主控板热插拔连接器的一组功能信号插头端连接，主控板热插拔连接器的电源信号插座端与一个功率管控电路连接，所有功能信号插座端与信号联接网连接，资源配置信息见图1和表1。
开关量输出板包括若干组功能信号和一组电源信号，电源信号与开关量输出板热插拔器的电源信号插头端连接，每一组功能信号与开关量输出板热插拔器的一组功能信号插头端连接，开关量输出板热插拔连接器的电源信号插座端与一个功率管控电路连接，所有功能信号插座端与信号联接网连接，资源配置信息见图1和表1。
开关量输入板包括若干组功能信号和一组电源信号，电源信号与开关量输入板热插拔器的电源信号插头端连接，每一组功能信号与开关量输入板热插拔器的一组功能信号插头端连接，开关量输入板热插拔连接器的电源信号插座端与一个功率管控电路连接，所有功能信号插座端与信号联接网连接，资源配置信息见图1和表1。
A/D转换板包括若干组功能信号和一组电源信号，电源信号与A/D转换板热插拔器的电源信号插头端连接，每一组功能信号与A/D转换板热插拔器的一组功能信号插头端连接，A/D转换板热插拔连接器的电源信号插座端与一个功率管控电路连接，所有功能信号插座端与信号联接网连接，资源配置信息见图1和表1。
D/A转换板包括若干组功能信号和一组电源信号，电源信号与D/A转换板热插拔器的电源信号插头端连接，每一组功能信号与D/A转换板热插拔器的一组功能信号插头端连接，D/A转换板热插拔连接器的电源信号插座端与一个功率管控电路连接，所有功能信号插座端与信号联接网连接，资源配置信息见图1和表1。
CAN通讯板包括若干组功能信号和一组电源信号，电源信号与CAN通讯板热插拔器的电源信号插头端连接，每一组功能信号与CAN通讯板热插拔器的一组功能信号插头端连接，CAN通讯板热插拔连接器的电源信号插座端与一个功率管控电路连接，所有功能信号插座端与信号联接网连接，资源配置信息见图1和表1。
功能拓展板包括若干组功能信号和一组电源信号，电源信号与功能拓展板热插拔器的电源信号插头端连接，每一组功能信号与功能拓展板热插拔器的一组功能信号插头端连接，功能拓展板热插拔连接器的电源信号插座端与一个功率管控电路连接，所有功能信号插座端与信号联接网连接，资源配置信息见图1和表1。
功率管控电路如图3所示，功率管控电路包括N-MOS管(Q1)、控制信号接点、功率信号接点，控制信号接点的正负极(A、B)分别通过限流分压电阻与N-MOS管的漏极、栅极连接，功率信号接点的正负极(E、F)分别与N-MOS管的源极、栅极连接。N-MOS管实现功率信号的通断管制，功率信号通路实现功率信号的传递，N-MOS管控制信号通路实现N-MOS管栅极电压的控制。该电路核心为N-MOS管(Q1)，通过Q1对功率信号实施管控。图3中A为控制信号正，B为控制信号负，E为功率信号正，F为功率信号负。
N-MOS管和功率信号通路通过功率信号的大小进行具体选型。N-MOS管控制信号通路通过两个电阻实现限流和保证N-MOS管栅极电压。当热插拔连接器未插合时，N-MOS管栅极电压为低，N-MOS管截止；当热插拔连接器插合时，N-MOS管栅极电压为10V左右，N-MOS管导通。
热插拔器的小电流信号部分在连接器插拔时，不会出现电弧、浪涌现象。热插拔连接器该部分接触件组合采用常规模式。功率信号部分在连接器插拔时，会出现电弧、浪涌现象。热插拔连接器将该部分接触件分为功率信号部分和控制信号部分。其中，功率信号部分接触件组合采用常规模式，控制信号部分接触件组合采用插合时接触件比常规模式后接触(拔开时接触件先断开)的接触件组合。
功率管控电路的工作过程如图4所示，当热插拔连接器插合时，首先接通功率信号接点与功能板卡的连接，此时Q1栅极电压为低，控制信号接点为未接通状态，连接器接触件不带电，不会产生电弧、浪涌等问题(图4中STEP 1和STEP 2)。连接器继续插入，功率信号通路与功能板卡的连接完全，此时N-MOS管控制信号通路与功能板卡对应电路接通，即图3中信号A与信号B接通，Q1栅极电压通过两个限流分压电阻R1和R2控制在10V左右，使得Q1完全导通，及功率信号通路接通，控制器背板给功能板卡供电(图4中STEP 3)；
当热插拔连接器拔开时，首先N-MOS管控制信号通路与功能板卡对应电路断开，即图3中信号A与信号B断开，Q1栅极电压被图3中限流分压电阻R2置低，进而Q1关断，实现功率信号通路与功能板卡的功率信号断开(图4中STEP 3和STEP 4)。连接器继续拔开，直至控制器背板与功能板卡完全断开连接(图4中STEP 5)。
最后需要说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本专利技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本专利进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本专利的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本专利技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本专利的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种热插拔式可拓展通用控制器，包括控制器背板，所述控制器背板通过热插拔连接器与功能板卡连接，其特征在于：所述控制器背板上设置有信号联接网和若干个功率管控电路，每一个功率 管控电路与一个热插拔连接器的插座端连接，一个热插拔连接器的插头端与功能板卡上的一个功能板连接，所述热插拔连接器的插座端包括小电流信号接点、功率信号接点和控制信号接点，所述小电流信号接点和功率信号接点的插孔中接触件的位置相同，控制信号接点的插孔中接触件的位置较小电流信号接点和功率信号接点更远离功能板，所有热插拔连接器的小电流信号接点与信号联接网连接，功率信号接点和控制信号接点与相对应的功率管控电路连接；所述控制信号接点的插孔中接触件的位置与小电流信号接点和功率信号接点的插孔中接触件的位置间距为2～3mm；
所述功能板卡中包括主控板，所述主控板包括若干组功能信号和一组电源信号，所述电源信号与主控板热插拔器的电源信号插头端连接，每一组功能信号与主控板热插拔连接器的一组功能信号插头端连接，所述主控板热插拔连接器的电源信号插座端与一个功率管控电路连接，所有功能信号插座端与信号联接网连接；
所述功能板卡中包括电源板，所述电源板包括若干组电源信号和一组电源控制信号，每一组电源信号分别与电源板热插拔连接器中的一组电源信号插头端连接，电源控制信号与电源板热插拔连接器中的电源控制信号插头端连接，热插拔连接器中每一组电源信号插座端分别与一个功率管控电路连接，电源控制信号插座端与信号联接网连接；所述电源板中的若干组电源信号为不同型号的电源信号，所述主控板、开关量输出板、开关量输入板、A/D转换板、D/A转换板、CAN通讯板和功能拓展板相对应的功率管控电路与相应型号的电源信号的功率管控电路相连接；
所述功能板卡上还包括开关量输出板、开关量输入板、A/D转换板、D/A转换板、CAN通讯板和功能拓展板；所述信号联接网将电源板、开关量输出板、开关量输入板、A/D转换板、D/A转换板、CAN通讯板和功能拓展板的控制端分别与主控板上的一组功能信号插座端连接，连接端口通过软件配置；
所述功率管控电路包括N-MOS管、控制信号接点和功率信号接点，控制信号接点的正负极分别通过限流分压电阻与N-MOS管的漏极、栅极连接，所述功率信号接点的正负极分别与N-MOS管的源极、栅极连接；
当热插拔连接器插合时，首先接通功率信号接点与功能板卡的连接，此时N-MOS管的Q1栅极电压为低，控制信号接点为未接通状态，连接器接触件不带电；连接器继续插入，功率信号通路与功能板卡的连接完全，此时N-MOS管控制信号通路与功能板卡对应电路接通，Q1栅极电压通过两个限流分压电阻R1和R2控制，使得Q1完全导通，即功率信号通路接通，控制器背板给功能板卡供电；
当热插拔连接器拔开时，首先N-MOS管控制信号通路与功能板卡对应电路断开，Q1栅极电压被限流分压电阻R2置低，进而Q1关断，实现功率信号通路与功能板卡的功率信号断开；连接器继续拔开，直至控制器背板与功能板卡完全断开连接；N-MOS管控制信号通路通过两个电阻实现限流和保证N-MOS管栅极电压；当热插拔连接器未插合时，N-MOS管栅极电压为低，N-MOS管截止；当热插拔连接器插合时，N-MOS管导通；
热插拔连接器将该部分接触件分为功率信号部分和控制信号部分，其中，功率信号部分接触件组合采用常规模式，控制信号部分接触件组合采用插合时接触件比常规模式后接触，拔开时接触件先断开的接触件组合。
2.根据权利要求1所述的一种热插拔式可拓展通用控制器，其特征在于：所述电源板中的电源信号包括+5v、+15v、-15v、+28v四种型号。
3.根据权利要求1所述的一种热插拔式可拓展通用控制器，其特征在于：所述控制器背板为印制板，所述功能板卡采用统一接口的板卡。
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