CN111949592B - 一种适用于lvds的热插拔电路装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适用于LVDS的热插拔电路装置，该装置中包括接插件电路、电源静电和防浪涌电路、信号静电和防浪涌电路、电源限流电路、以及LVDS隔直和偏置电路，有效地避免了可能出现的电路过载以及短路过流等风险，实现了LVDS电路的可靠带电热插拔，具有电路结构简单，可靠性高，功耗低，成本极低的特点。
Description
技术领域
本发明涉及数据接口相关领域，尤其涉及一种适用于高速LVDS(Low-VoltageDifferential Signaling，低电压差分信号)的热插拔电路装置。
背景技术
以特高压输电行业换流阀控制系统为例，其控制机箱由背板和多个功能模块插接组成，背板实现24V电源分布和LVDS总线信号互联。为保证高可靠性，同一功能模块全部冗余设计为A模块和B模块，单一模块运行中故障时，由于系统不可掉电，必须具备不断电情况下插入或拔出更换，而不能影响系统的正常运行，即实现热插拔更换。
根据模块接口特性，涉及电源和LVDS总线信号热插拔。目前，行业实现LVDS模块热插拔，一是采用检测插入模块其最短针插入后再控制模块上电。二是对电源接口通过场效应管限流电路对插拔浪涌冲击电流幅度进行限流控制。然而，上述技术都仅对电源接口热插拔保护，未能对LVDS总线信号热插拔出现电流倒灌和电平冲突进行保护，热插拔接口保护不全面。如中国专利授权号为CN106993149B的发明专利，公开了LVDS输出保护与防止带电插拔电路和LVDS传输模块，但其仅对电源接口实现热插拔，未明确说明LVDS信号带电热插拔保护方法和电路。
如需进一步对LVDS总线热插拔保护，常规做法是外置专用LVDS热插拔收发器芯片实现，器件成本高，多模块背板控制系统插拔模块数量多，所需芯片数量多，存在大幅增加设备成本、功耗，以及器件本身故障率。
发明内容
基于现有技术的上述情况，本发明的目的是根据集成电路内部结构和热插拔工况，提出了一种LVDS模块热插拔实现方法和电路，具有电路结构简单，可靠性高，功耗低，成本极低的特点。
为达到上述目的，本发明提供了一种适用于LVDS的热插拔电路装置，包括：接插件电路、电源静电和防浪涌电路、信号静电和防浪涌电路、电源限流电路、LVDS隔直和偏置电路；
所述接插件电路包括电源针、接地针和信号针，所述接地针比电源针和信号针的长度更长，在插拔时先接通后断开。
进一步的，所述电源静电和防浪涌电路，靠近电源接插口设置，包括TVS功率器件，所述TVS功率器件的启动电压靠近且大于工作电压。
进一步的，所述信号静电和防浪涌电路，靠近信号接插口处设置，包括低电容浪涌和静电保护功能钳位二极管。
进一步的，所述电源限流电路，靠近电源接插口设置，包括控制电路，以及设置于电源与负载之间的采样电阻和MOSFET开关管，所述控制电路根据所述采样电阻检测到的电流值以及延时电容的电荷量来控制所述MOSFET开关管的开通时间以及开通状态。
进一步的，所述电源限流电路中的控制电路，包括电压比较器，所述采样电阻采样的信号输入到电压比较器，与参考电压进行比较后，根据比较结果控制所述MOSFET开关管的通断。
进一步的，所述采样电阻采样的信号与参考电压进行比较，若所述采样信号大于参考电压，所述电压比较器输出低电平，所述MOSFET开关管截止；若所述采样信号小于参考电压，所述电压比较器输出高电平，所述MOSFET开关管导通。
进一步的，所述控制电路，还包括差分放大器，将所述采样电阻采集的信号进行差分放大后输入到所述电压比较器。
进一步的，所述LVDS隔直和偏置电路靠近LVDS总线接收器终端设置，包括隔直电路和偏置电路。
进一步的，所述隔直电路包括由交流耦合电容和终端匹配电路构成的高通滤波器；所述偏置电路为隔直后的LVDS信号正、负极提供LVDS规范标称的对地共模电压
进一步的，所述隔直电路包括两个电容值为C的隔直电容和一个电阻值为R的LVDS总线终端匹配电阻，隔直截止频率为
综上所述，本发明提供了一种适用于LVDS的热插拔电路装置，该电路装置通过设置接插件电路、电源静电和防浪涌电路、信号静电和防浪涌电路、电源限流电路、以及LVDS隔直和偏置电路，有效地避免了可能出现的电路过载以及短路过流等风险，实现了LVDS电路的可靠带电热插拔，具有电路结构简单，可靠性高，功耗低，成本极低的特点。
附图说明
图1是现有技术中LVDS接口电路的内部端口结构示意图；
图2是现有技术中LVDS模块与系统连接时的路径示意图；
图3是现有技术中GND与信号线先接触时输出高时电流的路径示意图；
图4是现有技术中VDD与信号线先接触时输出低时电流的路径示意图；
图5是本发明LVDS热插拔电路装置的原理框图；
图6是本发明LVDS热插拔电路装置中电源限流电路原理图；
图7是本发明LVDS热插拔电路装置中电源静电和防浪涌电路的电路图；
图8是本发明LVDS热插拔电路装置中信号静电和防浪涌电路的电路图；
图9是本发明LVDS热插拔电路装置中电源限流电路的电路图；
图10是本发明LVDS热插拔电路装置中LVDS隔直和偏置电路的电路图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
本发明提供了一种适用于LVDS的热插拔电路装置，该电路装置通过设置接插件电路、电源静电和防浪涌电路、信号静电和防浪涌电路、电源限流电路、以及LVDS隔直和偏置电路，有效地避免了可能出现的电路过载以及短路过流等风险，实现了LVDS电路的可靠带电热插拔。
下面结合现有技术的情况以及附图对本发明的技术方案进行详细说明。现有技术中，对于模块电源接口，未插入前板上电容电压为零，突然插入时，形成瞬态浪涌电流I＝Cdu/dt，该浪涌电流可能引起插入模块器件损坏，同时较大冲击电流导致背板电源母线电压闪降引起系统工作异常，因此，热插拔电源接口需要对电源接口限流控制，达到控制电源电压缓慢上升启动。
对于LVDS总线信号，通常板卡控制器或处理器内部集成LVDS接口电路，该接口电路的内部端口结构如图1，输入输出接口由钳压保护器件D1-D4实施保护，所述D1、D2相互串联，D3、D4相互串联之后连接于电源VDD和接地GND之间，其中所述钳压保护器件D1和D3起到静电保护和正电压信号过冲幅度限制的作用，钳压保护器件D2和D4起到静电保护和电压信号下冲幅度限制的作用。
背板和多个LVDS模块构成的控制系统可等效为图2所示的电路。如图2中所示，假设LVDS模块1与背板插接，并通过背板接线从电压源V1处获得电压。将LVDS模块2插入槽中，由于导轨和连接器的机械公差，连接器P2的各触点随机顺序接触，通过分析，电源端子VDD、接地端子GND、信号端子SL的接触顺序与模块电路集成电路N1输出逻辑电平状态相组合，可能会出现不同的情况，下面几种工况则会导致芯片损坏风险：
风险一、接地端子GND与信号端子SL先接触，且模块集成电路N1输出高电平，从而形成图3所示的电流路径，此时会导致模块集成电路N1和钳压管D21的过载。
风险二、电源端子VDD与信号端子SL先接触且模块集成电路N1电路输出低电平，形成图4所示的电流路径，导致模块集成电路N1电路和钳压管D22的过载。
风险三、接地端子GND与信号端子SL先接触且模块集成电路N1电路输出低电平或高电平。当电源端子VDD接触后，电容器Cb2(即板上等效的输入电容器)充电，所插入模块集成电路N2上的集成电路开始上电，模块集成电路N2上电到稳定工作电压前的不确定操作状态，比如模块集成电路N2输出高电平与模块集成电路N1输出低电平可能会产生短路过流风险。
除了上文所述的插拔操作对集成电路产生的影响外，静电也是导致零件失效和破坏的最常见原因，因此，接口还需具备静电保护。另外，由于带电插拔引起电量突变，回路等效LC能量释放存在振荡浪涌，因此还必须具备一定防浪涌电流的能力。具体的实现方法是在接口处增加静电及浪涌保护，同时，使得接地针比其他针长，以确保首先接触以消除任何地电位不同，并为静电和浪涌保护提供电流回流路径。
总之，现有技术中的LVDS数字接口，在实现热插拔时会存在以下技术问题：
1)模块上电时，模块电容充电的浪涌电流引起插入模块器件损坏，同时导致背板电源母线电压闪降引起系统工作异常。
2)电源端子VDD后接触时，先接触的信号回路形成电流倒灌VDD引起过载损坏；接地端子GND后接触时，先接触的信号回路形成电流回流引起过载损坏。
3)插拔模块电路上电到稳定电压前的不确定工作状态和运行模块输出逻辑高或低电平状态，可能存在电平冲突，引起过流。
4)插拔接口受静电及带电插拔浪涌损坏风险。
为了全面解决上述技术问题，实现LVDS可靠热插拔，根据本发明的一个实施例，提供了一种适用于LVDS的热插拔电路装置，包括：接插件电路、电源静电和防浪涌电路、信号静电和防浪涌电路、电源限流电路、LVDS隔直和偏置电路。本发明实施例中LVDS热插拔电路装置的原理框图如图5所示。如图5可知，所述接插件电路包括电源针、接地针和信号针，所述接地针比电源针和信号针的长度更长，在插拔时先接通后断开。通过上述设置，可以实现先连接地以消除模块和背板任何地电位不同，并为任何可能的静电浪涌保护提供浪涌电流回流路径，防止通过集成电路放电损坏器件，后断开所能够达到的目的与上述先接通的目的相同。同时由于电气的接地针先接触，确保不会出现图4情况电流过载回路，规避了上述风险二。根据某些实施例，可以将电源针设置为比信号针长2mm，接地针比电源针长2mm，该长度差的设置充分考虑了机械误差和插拔接触偏差，以可靠地保证先后接触顺序。
图7中示出了本发明LVDS热插拔电路装置中电源静电和防浪涌电路的一种实施方式的电路图。如图可知，该电源静电和防浪涌电路，靠近电源接插口设置，包括TVS功率器件，该TVS功率器件设置于电源VDD和接地GND之间，将其启动电压设置于靠近且大于工作电压。该电源静电和防浪涌电路用于为接口提供静电保护，以及用于对带电插拔引起的电量突变、LC振荡浪涌电流电压实施保护，通过TVS瞬态电压抑制器泄流钳压，以保护后端器件。
图8示出了本发明LVDS热插拔电路装置中信号静电和防浪涌电路的一种实施方式的电路图。如图可知，该信号静电和防浪涌电路，靠近信号接插口处设置，包括4通道低电容浪涌和静电保护功能钳位二极管。其功能与电源静电和防浪涌电路相同，同时具备静电放电和插拔浪涌保护，TVS瞬态电压抑制器具备低结电容，能够匹配LVDS工作电平和高通讯速率，既起到保护又不影响正常工作。其中，LVDS信号为2.5V接口，TVS设计选用4通道低电容浪涌和静电保护功能钳位二极管ESD204，满足IEC 61000-4-2的4级静电放电保护和IEC61000-4-5 5.5A(8/20μs)浪涌保护，结电容小不影响2Gbps信号速率。
图6示出了本发明LVDS热插拔电路装置中电源限流电路的原理图，图9示出了本发明LVDS热插拔电路装置中电源限流电路的一种实施方式的电路图。该电源限流电路的控制原理如图6所示，在电源与负载之间串联一个采样电阻和MOSFET开关管，控制电路根据采样电阻检测到的电流大小以及延时电容的电荷量来控制场效应管的开通时间和开通状态，从而避免瞬态浪涌电流的冲击，保证系统的安全性以及稳定性，实现电源热插拔功能。具体实现电路可通过分立器件组合或集成MOSFET热插拔器件实现。具体电路实施可如图9中的实施例电路图所示，图9中，R1为采样电阻，C1为延时电容，D1、D2、D3为稳压二极管，R2、R3、R4、R5和U1A组成差分放大器，R6、R8和U1B组成电压比较器，R7和Q2组成参考电压，R9主要用于抑制高频干扰，R11和C2主要用于延缓MOS管Q1的开启速率。当模块插入背板连接器时，输入电压增加，电流I0流过采样电阻R1转变为采样电压U0并开始对延时电容C1充电，C1充电完成后，R2、R3、R4、R5和U1A组成差分放大器对采样电压U0进行差分放大，R6、R8和U1B组成的电压比较器对放大后的采样电压U1与R7、Q2组成参考电压U2进行比较。如果U1大于U2，即电源母线上出现大电流，电压比较器U2A输出低电平，MOS管Q1截止；如果U1小于U2，即电源母线上电流减小至合理水平，电压比较器U2A输出高电平，并通过R11对C2进行充电，此时MOS管Q1处于线性工作区，输出电压缓慢上升，最后进入正常工作模式。
图10示出了本发明LVDS热插拔电路装置中LVDS隔直和偏置电路的一种实施方式的电路图。该LVDS隔直和偏置电路靠近LVDS总线接收器终端设置，包括隔直电路和偏置电路。其中，隔直电路由交流耦合电容和终端匹配电阻构成高通滤波器，实现对发送端LVDS信号直流共模电压隔离，阻断了驱动端对接收端电流路径，起到隔离保护作用，而高频247-600mV差模有用低电压通讯信号(典型350mV)可通过，匹配电阻既作差分线终端阻抗匹配又作为RC滤波一部分。偏置电路作用为隔直后LVDS信号正、负提供LVDS规范标称的对地共模电压，达到最大限度的输入噪声裕度，为了防止上述风险一和风险三工况形成电流过载，信号正、负通过大电阻上拉VDD和下拉到地，以确保热插拔过程中，偏置倒灌电流较小，如几十微安级，对LVDS接口不至过流损坏，通常设置为电阻为10kΩ-100kΩ范围。根据上述风险一和三热插拔机理，当LVDS信号热插拔，只需考虑运行模块为发送端而插入模块为接收端，发送端信号对插入无电模块LVDS口倒灌电流到VDD过载损坏，或插入模块上电过程的不确定状态和运行模块输出逻辑高或低电平状态，可能存在电平冲突，引起过流。反之，运行模块为LVDS总线为接收端时，因不具备对总线驱动能力，插入模块发送端不需做热插拔电路处理。为确保LVDS接口具备可靠交流耦合隔直性能，LVDS通讯电平应设计为8b/10b等通讯编码，减少连续出现1或0因隔直对数据的影响。
如图10所示，其中，C1、C2为隔直电容，电容值为C，R3为LVDS总线终端匹配电阻，电阻值为R，从而可以实现隔直截止频率
R1、R2为偏置电阻，用于为隔直后的LVDS端口提供电源电压一半共模电压。
综上所述，本发明涉及一种适用于LVDS的热插拔电路装置，该电路装置通过设置接插件电路、电源静电和防浪涌电路、信号静电和防浪涌电路、电源限流电路、以及LVDS隔直和偏置电路，能够有效地避免LVDS电路热插拔可能带来的电路过载以及短路过流等风险，具有电路结构简单，可靠性高，功耗低，成本极低的特点。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (9)
1.一种适用于LVDS的热插拔电路装置，其特征在于，包括：接插件电路、电源静电和防浪涌电路、信号静电和防浪涌电路、电源限流电路、LVDS隔直和偏置电路；
所述电源静电和防浪涌电路一端连接所述接插件电路，另一端连接电源限流电路；
所述信号静电和防浪涌电路一端连接所述接插件电路，另一端连接LVDS隔直和偏置电路；
所述接插件电路包括电源针、接地针和信号针，所述接地针比电源针和信号针的长度更长，在插拔时先接通后断开；
所述电源限流电路，靠近电源接插口设置，包括控制电路，以及设置于电源与负载之间的采样电阻和MOSFET开关管，所述控制电路根据所述采样电阻检测到的电流值以及延时电容的电荷量来控制所述MOSFET开关管的开通时间以及开通状态。
2.根据权利要求1所述的热插拔电路装置，其特征在于，所述电源静电和防浪涌电路，靠近电源接插口设置，包括TVS功率器件，所述TVS功率器件的启动电压靠近且大于工作电压。
3.根据权利要求1所述的热插拔电路装置，其特征在于，所述信号静电和防浪涌电路，靠近信号接插口处设置，包括低电容浪涌和静电保护功能钳位二极管。
4.根据权利要求2或3所述的热插拔电路装置，其特征在于，所述电源限流电路中的控制电路，包括电压比较器，所述采样电阻采样的信号输入到电压比较器，与参考电压进行比较后，根据比较结果控制所述MOSFET开关管的通断。
5.根据权利要求4所述的热插拔电路装置，其特征在于，所述采样电阻采样的信号与参考电压进行比较，若所述采样的 信号大于参考电压，所述电压比较器输出低电平，所述MOSFET开关管截止；若所述采样的 信号小于参考电压，所述电压比较器输出高电平，所述MOSFET开关管导通。
6.根据权利要求5所述的热插拔电路装置，其特征在于，所述控制电路，还包括差分放大器，将所述采样电阻采集的信号进行差分放大后输入到所述电压比较器。
7.根据权利要求1所述的热插拔电路装置，其特征在于，所述LVDS隔直和偏置电路靠近LVDS总线接收器终端设置，包括隔直电路和偏置电路。
8.根据权利要求7所述的热插拔电路装置，其特征在于，所述隔直电路包括由交流耦合电容和终端匹配电路构成的高通滤波器；所述偏置电路为隔直后的LVDS信号正、负极提供LVDS规范标称的对地共模电压。
9.根据权利要求8所述的热插拔电路装置，其特征在于，所述隔直电路包括两个电容值为C的隔直电容和一个电阻值为R的LVDS总线终端匹配电阻，隔直截止频率为
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