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Hot Swapping, come proteggere i sistemi elettronici

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Cosa´è l´Hot swapping

L´Hot Swapping è la terminologia normalmente utilizzata a livello internazionale per descrivere la situazione in cui il sistema possa essere aggiornato o riparato scambiando o eliminando schede dal sistema, senza dover disattivare l'alimentazione dello stesso. I ripetitori dei cellulari rientrano in quella categoria di sistemi il cui continuo utilizzo da parte di utenti richiede che possano essere aggiornati o riparati on the fly (al volo). Questa funzionalità permette di garantire il servizio senza alcuna interruzione.


Problematiche associate all'Hot Swapping

L'Hot Swapping da quanto detto è una esigenza per quei sistemi che devono rimanere sempre attivi con percentuali che arrivano anche al 99.999% della loro vita operativa. L'Hot Swapping anche se vantaggioso al fine della manutenzione di un sistema porta dei problemi. Collegare o scollegare delle schede da un sistema modulare può causare rapide variazioni di corrente e cadute di tensione. Questi transitori possono causare malfunzionamenti nei circuiti adiacenti alla nuova scheda, o comunque ai sistemi che condividono il bus con il sub-sistema. Tra i problemi che si possono verificare vi sono quelli di avere Reset del sistema a causa di tensioni operative troppo basse, o semplicemente errori sui dati che transitano sul bus dati. Naturalmente ogni altro genere di problema si può verificare a causa del forte rumore che va a disturbare il sistema nel suo insieme.

Per capire l'origine delle variazioni di corrente si pensi ad esempio alla situazione in cui si colleghi una nuova scheda nel sistema da manutenere.

La presenza nella scheda di grosse capacità (bulk capacitor) o induttori, trovandosi inizialmente scariche possono richiedere all'alimentazione del sistema l'erogazione di una corrente di molti ampere sopra il valore nominale per cui è dimensionato il sistema stesso, facendo "sedere" la tensione a causa del picco.

Proteggere il sistema madre consiste spesso limitare i picchi di corrente e tensione che si possono verificare nel momento in sui si collega o scollega una scheda dal sistema. In particolare i sistemi con protezione Hot Swapping proteggono normalmente solo da eccessi di corrente ma le versioni più sofisticate controllano anche i livelli di tensione, sia per OV (Over Voltage) che UV (Under Voltage). Frequentemente se la tensione e corrente è nei limiti impostati è disponibile un segnale di PG (Power Good) o PO (Power Ok) che viene attivato al fine di segnalare che l'alimentazione non ha problemi. Spesso il sistema di protezione viene posto sulla scheda e non sul sistema, ma questa è solo una scelta progettuale.

Tecniche per proteggersi da picchi di corrente.

Vi sono molte tecniche per limitare la corrente nel momento in cui una scheda viene collegata al sistema e il bulk capacitor deve caricarsi.

Uno dei modi più economici, è quello usato negli alimentatori dei PC e negli amplificatori audio di potenza, ovvero un resistore variabile NTC (Negative Temperature Coefficient) come riportato in Figura 1.

 

Figura 1: Protezione di schede per mezzo di termoresistori NTC

Figura 1: Protezione di schede per mezzo di termoresistori NTC.

Normalmente il resistore NTC possiede a freddo una resistenza elevata limitando in questo modo la corrente iniziale di carica dei condensatori. Per effetto Joule, ovvero per riscaldamento del resistore all'attraversamento della corrente, il resistore abbassa la sua resistenza (avendo un coefficiente di temperatura negativa) a valori di pochi ohm. Il processo può richiedere qualche secondo e dipende dal valore del resistore e delle correnti in gioco.

Le temperature raggiunte dal resistore NTC sono alte e si aggirano intorno a 100 gradi o più, per tale ragione quando usati è bene che vengano saldati con terminali alti in maniera da non causare la fusione dei punti di saldatura. E' anche bene prendere la precauzione di posizionare componenti termicamente sensibili (quasi tutti!), distanti dal resistore NTC. Questa soluzione è piuttosto economica e funzionale, ma ha uno svantaggio notevole, ovvero quello di non proteggere il sistema quando la scheda dovesse essere scollegata e ricollegata a brevi intervalli, infatti il resistore sarebbe già caldo e dunque non limiterebbe di molto la corrente di avvio. I condensatori potrebbero però anche essere ancora carichi limitando la corrente di avvio (inrush current), ma in questa situazione ci sono troppi ma e condizioni non prevedibili, dunque il solo utilizzo del resistore NTC viene normalmente evitato se non supportato da ulteriori protezioni. Aggiungere un fusibile in serie potrebbe essere sufficiente, ma in caso di rottura del fusibile si richiederebbe una piccola diagnosi per trovare il problema seguita poi dalla sostituzione dello stesso.

Anche se questo sembra poco, in ambito delle telecomunicazioni, si traduce nel mantenere un tecnico nella stessa posizione più a lungo del necessario, aumentando i costi di manutenzione. Per ridurre i costi di manutenzione bisogna rendere la scheda plug and play e ridurre le possibilità di guasti legati al solo inserimento della scheda.

Per il progettista questo equivale ad aumentare i costi del singolo sistema dal momento che viene richiesta una circuiteria di protezione più costosa, ma spendere un po' di più rende il sistema più robusto e riduce di molto la manutenzione, per tale ragione a meno che il prezzo del singolo prezzo non sia più importante delle problematiche di manutenzione, sono spesso utilizzati sistemi per Hot Swapping più complessi.

In Figura 1 è stato messo tacitamente in risalto il fatto che i piedini di giunzione della scheda che viene inserita siano di lunghezza diversa. Questa tecnica è frequentemente utilizzata al fine di ridurre rumore sul bus di sistema nel momento in cui avviene la connessione di nuove schede, in particolare permettendo di alimentare il sistema prima che questo possa influenzare il bus. La lunghezza dei piedini può anche variare a seconda dei segnali, casi particolari sono spesso descritti nei datasheet dei controllori dedicati alla protezione di sistemi. Questi accorgimenti permettono, semplicemente intervenendo sulla meccanica di ridurre le problematiche associate all'Hot Swapping. Un'altra nota che merita la Figura 1 è relativa al Backplane, ovvero il piano posteriore dove avviene l'inserimento delle schede. In un certo qual modo si può pensare al Backplane come alla scheda madre di un Computer, ma frequentemente i Backplane sono semplici PCB (Passive Backplane) in cui sono presenti solo linee di connessione tra i vari slot delle schede. Infatti spesso l'alimentazione delle varie schede avviene per mezzo di schede dedicate da collegare sul Backplane stesso, in cui sono presenti i convertitori DC-DC o AC-DC necessari per alimentare il sistema. Backplane più complessi possono avere transceiver, opto-isolatori e la rete di distribuzione del clock per la sincronizzazione delle varie schede di sistema; in questo caso si parla più propriamente di Active Backplane.

Da quanto fin ora spiegato si capisce che nel caso in cui si abbia una specifica stringente come quella dell'essere funzionanti per il 99.999% della propria vita operativa, un semplice NTC non e sufficiente. Un miglioramento del sistema di protezione è possibile averlo facendo uso di altri componenti discreti e permettendo di proteggere il sistema da picchi di corrente in maniera continua, ovvero senza dover aspettare che il resistore NTC si raffreddi. Una possibile soluzione è riportata in Figura 2.

 

Figura 2: Protezione di schede per mezzo di componenti discreti

Figura 2: Protezione di schede per mezzo di componenti discreti.

Il sistema di protezione è relativamente semplice ed elegante e fa uso di un transistor BJT di tipo PNP (T1) e di un PMOS (T2), oltre ad una resistenza di potenza (R1 = 0,68ohm) e un condensatore.

Il funzionamento è il seguente: consideriamo che C1 non sia presente o sia carico, per correnti inferiori ad 1A la d.d.p (differenza di potenziale) ai capi del resistore R1 è inferiore a 0.6-0.7V necessari per mandare in conduzione il transistor, dunque T1 è interdetto (come un interruttore aperto). Questo comporta che il gate del PMOS è collegato a massa tramite R2 dunque T2 è in conduzione e la scheda, ovvero il sistema in esso contenuto è effettivamente collegato al Backplane, prelevando la corrente necessaria al suo funzionamento.

Supponiamo che per qualunque ragione, per esempio la rottura di un componente o perché si sta inserendo la scheda nel sistema madre, la corrente diventi superiore ad 1A. Questo comporta che il T1 avendo una Vbe superiore di 0.6V entra in conduzione (interruttore chiuso) collegando il gate del PMOS a Vcc, causando dunque la sua interdizione, il che equivale ad aver scollegato il sistema ospitato nella scheda, dal Backplane (dal punto di vista delle alimentazioni).

Vediamo ora la mansione di C1; quando C1 è scarico, ovvero quando la scheda viene inserita per la prima volta, C1 permette di ritardare l'attivazione del PMOS, dal momento che nella sua fase di carica il Gate di T2 risulta per qualche tempo come se fosse collegato al Source.

Anche se la scheda si dovesse disconnettere e riconnettere (C1 ancora carico) il transistor T1 continuerebbe a proteggere il sistema secondo la modalità prima descritta, non avendo quindi le problematiche associate al termoresistore NTC.

A seconda delle esigenze è possibile inserire un fusibile (cosa comunque richiesta da diverse normative), in maniera da interrompere il circuito qualora questo, a causa di un corto circuito o rottura di qualche componente assorba in maniera continua correnti fuori specifica. Uno svantaggio di questo circuito è legato al fatto che la sua accuratezza nel rilevare correnti eccessive è limitata, visto che si basa sulla tensione Vbe del transistor T1.

Un miglioramento rispetto al circuito proposto si può ottenere aggiungendo altri componenti discreti o facendo uso di soluzioni integrate. Molti produttori di circuiti integrati offrono infatti prodotti definiti Hot Swap Controller, che con l'aggiunta di un MOS (di tipo N o P) e un eventuale resistore, permettono di interrompere o limitare eccessi di corrente e controllare in maniera precisa la caduta di potenziale ai capi del resistore facendo uso di amplificatori differenziali e ADC (o semplici comparatori). Le soluzioni integrate offrono spesso la possibilità d'impostare il controller per mezzo di un bus I2C o SPI ed offrono ulteriori servizi/funzioni quali il controllo dei livelli di tensione massimi e minimi (in questi casi i controller vengono spesso nominati digitali, visto il nome più fashion).

Transistor MOS di Tipo P o di Tipo N?

Prima di procedere con l'introdurre alcuni controller commerciali vediamo di capire perché è possibile trovare, come pass transistor sia un transistor di tipo N che di tipo P.

Un transistor di tipo P è più costoso ma ha il vantaggio di poter essere attivato e disattivato collegando il gate a massa, ovvero garantendo che il gate sia a tensioni negative rispetto al source collegato a Vcc.

Il transistor a canale N è più economico ma per poterlo controllare richiede che il gate sia collegato ad una tensione superiore del source dunque richiede spesso (a seconda della sua configurazione) di una pompa di carica per avere una tensione superiore a Vcc.

La pompa di carica viene spesso ottenuta per mezzo di un condensatore esterno o interno. La pompa di carica è la stessa tecnica utilizzata per l'integrato MAX232 usato per elevare la tensione di 5V (segnali TTL) alle specifiche dello standard RS232, ottenendo anche tensioni negative.

Quando si hanno soluzioni discrete si preferisce dunque un PMOS anche se più costoso, evitando la pompa di carica, mentre facendo uso di soluzioni integrate, che spesso possiedono una pompa di carica, è possibile usare transistor NMOS.


Hot swap controller commerciali

Le applicazioni in cui si richieda l'Hot Swappping vanno oltre quelle delle telecomunicazioni, si pensi per esempio anche ai gestori Internet quando devono aggiornare alimentatori, hard-disk o altro. Senza andare troppo lontano è bene annoverare anche la porta USB che spesso è protetta per mezzo di sistemi simili a quelli utilizzati per l'Hot Swapping. Il mercato è dunque piuttosto prosperoso e per tale ragione è possibile trovare una vasta scelta offerta da diversi produttori di circuiti integrati. Alcuni dei più noti sono:

Analog
Analog Devices offre diverse tipologie di Hot swap controller classificati per categoria. Tra i principali si ricordano:

Low Voltage Positive Controller: ADM1170,ADM1171, ADM1172, ADM1175, ADM1176

Hot Swap Controller con interruttore interno: ADM1070, ADM1073

La tabella completa dei dispositivi può essere trovata al seguente link.

Linear Technology

Gli Hot Swap offerti dalla Linear Technology possono essere trovati al seguente link.

Maxim IC

Maxim IC possiede la più vasta gamma di controller Hot Swap presente sul mercato con attualmente ben 48 controller. I vari controller sono divisi per categoria, la pagina dedicata a tali controller può essere trovata al seguente link.

National
Tra gli Hot Swap offerti dalla National Semiconductor si ricordano: LM25061, LM25069, LM5067, LM5069, LM25066, LM5068

TI
Texas Instrument offre una vasta gamma di Hot Swap controller, da quelli più semplici a quelli a controllo digitale. In particolare tra le soluzioni offerte vi sono controller specifici per applicazioni nelle telecomunicazioni, caratterizzatati da una tensione operativa di -48V. A fine di rendere i sistemi di controllo più compatti TI offre anche integrati con doppio Hot Swap controller. Tra i principali controller si ricordano:

Hot Swap generici: TPS2350, TPS2390, TPS2420, TPS2490, UCC3918

Dual Hot Swap: TPS2358, TPS2359, TPS2363

PCI Hot Swap: HPC3130A, PCI2050B, TPS2363

48v Hot Swap: TPS2392, TPS2398

Conclusioni
Proteggersi dai fenomeni derivanti dall'Hot Swapping di schede elettroniche è solo un modo per garantire che un sistema possa essere attivo per percentuali del 99.999% della sua vita operativa. Altre tecniche per raggiungere questi standard di qualità sono la modularità del sistema, utilizzo di alimentatori supplementari in parallelo (ORing), e naturalmente utilizzare componenti di qualità cercando di utilizzarli a non più del 60%-70% dei valori massimi a cui possono operare. Inutile poi dire che un buon progetto (e un bravo progettista fanno la differenza).

 

 

 

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