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eFuse應對云應用過流保護的挑戰

本文作者：Pramit Nandy 點擊： 2020-04-15 15:29

前言：

安森美半導體產品營銷經理Pramit Nandy 安森美半導體產品營銷經理Sudhama Shastri

如今，新的復雜業務模型正采用基于云的平臺，通過省去內部數據中心，以提高效率，減少資本支出（CAPEX）和運營支出（OPEX）。采用云存儲和基于云的服務代表一個真正的大趨勢，近幾年不僅在大型企業越來越流行，而且在中小型企業（SMB）中所占比例也顯著增加。除了少數企業出于性能、可靠性或網絡和數據安全原因而需要保留內部數據中心，大多數企業將持續這趨勢。

云存儲市場規模將以23.7%的復合年增長率(CAGR)增長，預計到2022年將達到889.1億美元。據估計，數據中心和基于云的存儲消耗當今總發電量的3%，隨著對云存儲和數據中心的需求以如此快的速度增長，預計能源需求在短期內將顯著增加。由于能源使用對環境的影響和節省數百萬美元運營成本的潛力，數據中心設計人員面臨挑戰，要通過采用先進的配電和管理方案來提高能效，同時保持或減小外形。在這領域，即使提高最小百分比的能效，也相當于節省大量寶貴的能源和成本。

一個重要的目標是降低電源使用效率（PUE）比率。為實現這一目標，需要技術來獲得更高的能效、準確性和可靠性。這與配電系統（PDU）、母線槽、不間斷電源（UPS）以及保護它們的電路。

由于數據中心和基于云的系統的功率密度不斷提高，對過流保護的要求比以往任何時候都更具挑戰性，并且已成為所有保護考慮因素中最關鍵的因素之一。對更高的準確性、可靠性、安全性（例如滿足IEC 62368標準）和具有先進診斷的快速響應的需求正越來越普遍。傳統保險絲由于響應遲緩、缺乏診斷或故障報告不能滿足這些要求。

將電子保險絲(eFuse)與同等傳統保險絲例如熔融熔斷器和聚合物正溫系數（PPTC）可復位保險絲的規格和性能進行比較表明，eFuse具有非常低的響應時間和浪涌電流控制，在發生短路時大大減小電流尖峰。

Melting Fuse：熔斷熔絲
PTC：正溫系數
DC Supply：直流電源
Spike in Current：電流尖峰
圖1. eFuse對比傳統保險絲

由于這些原因和近年新技術的出現，在可行的情況下，設計人員試圖將傳統的保險絲替換為熱插拔控制器和外部FET，或者替換為eFuse。eFuse含集成控制器的功率MOSFET和許多內置保護功能包括過壓、過流對電池短路和熱保護以及診斷功能如電源自檢(power good)、電流監測和故障/啟用。另一方面，熱插拔控制器使用外部FET而不是集成的FET，且通常用于較高電流應用。

Pass-transistor + Control circuit：導通管 + 控制電路
Current Monitor：電流監測
Load diagnostics：負載診斷
Load Control：負載控制
FAULT ENABLE：故障啟用
Overvoltage Protection：過壓保護
Immunity to power supply glitches/drift：不受電源故障/漂移的影響
Short to Battery Protection：對電池短路保護
Overcurrent & thermal Protection：過流及過熱保護
Intimate thermal monitoring & unconditional safety：密切熱監控和無條件安全
Short to Ground Protection：對地短路保護
Reverse Current Protection：反向電流保護
Polarity reversal protection：極性反轉保護
Reverse bleed prevention：避免反流
Reverse Current Protection：反向電流保護
圖2. eFuse的功能

兩種技術的主要區別在于eFuse能夠實時跟蹤內置MOSFET芯片溫度和電流，并能迅速采取糾正措施。盡管如此，熱插拔控制器能通過放大主MOSFET來提高電流，在超過100A的高電流應用中仍會流行。而eFuse的持續電流承受能力從1A到50A（取決于導通Rds(on)、封裝和邊界條件），有望在服務器和云存儲應用中普及。

圖3. eFuse和熱插拔控制器

eFuse現在被應用于各種云應用中，包括用作存儲設備的企業硬盤驅動器(HDD)和固態硬盤(SSD)、存儲系統中的背板保護、服務器和熱插拔風扇。每一應用都提出了不同的挑戰。在驅動電感和電容負載時產生的電應力、熱插拔和短路產生的應力，使得難以保證在安全工作區(SOA)運行，并且在滿足嚴格的能效要求的同時實現功能安全。一些關鍵應用和相關挑戰如下：

12V Main supply：12 V主電源
Internet Connectivity：互聯網聯接
Data Management：數據管理
Colocation Inter Connectivity：托管間聯接
Storage Management：存儲管理
Main Fuse：主保險絲
Aux eFuse: 輔助eFuse Fans：風扇

Server Racks：服務器機架
Storage Racks：存儲機架
Backplane：背板
Fast Switch：快速開關
Storage System (NAS)：存儲系統 (網絡附加存儲NAS)
Blade Server Electronics：刀片服務器電子

圖4. eFuse用于云應用

1. 適用于所有應用的快速、準確的過流保護：傳統方案如熔斷保險絲和PPTC的耐受性非常差，響應時間和跳閘時間從幾百毫秒到幾秒不等，具體取決于短路事件的類型。同時，大多數eFuse都基于編程的電流極限值在幾微秒（<5µs）內響應短路事件，并將電流保持在編程值，直到芯片溫度超過熱關斷閾值為止。

2. 熱插拔風扇和存儲系統：由于與這些應用相關的電機或輸出電容較大，在啟動過程中可能會出現很大的涌流。然而，在輸出端采用可控制和可編程轉換率的eFuse有助于減少大浪涌電流，從而保護系統。特別是對于風扇來說，有和沒有eFuse的運行對浪涌電流有很大的影響。有eFuse，浪涌電流大大降低，從而保護下游電路。

3. 對電源的過壓保護：由于電源故障或連接到過流保護輸入的DC-DC轉換器故障，所有下游電路都可能承受過壓應力，這些電路的耐壓可能沒那么高。有利的是，eFuse內置過壓保護功能，可將器件的輸出鉗位到一定的安全電壓水平，即使輸入電壓遠高于工作電壓。因此保護了下游電路免受過壓應力的影響。在許多情況下，受保護的電路耐受非常低的過電壓應力。因此，過壓保護不僅要可靠，還要非?？?。對于eFuse，檢測和激活內部鉗位的時間約<5µs。

安森美半導體開發出從3V到12V的多種eFuse，支持從1A到12A的連續電流。最新的器件是12V eFuse系列NIS5232、NIS5820、NIS5020和NIS5021，分別支持4A、8A、10A和12A，用于需要過流、過熱、過壓和浪涌電流保護的應用，并能通過通用輸入輸出(GPIO)報告故障及禁用輸出。在不斷減小整體設計尺寸的壓力下，DFN10（3mm x 3mm）和DFN10（4mm x 4mm）封裝有助于應對挑戰和支援緊湊的布板。

總結
由于提高電源使用效率(PUE)比率日增的壓力和愿望，數據中心和云服務器的功率密度不斷增加，以及安全標準的推行，對過流保護器件的負荷在改變并變得更加復雜。eFuse具備高精度、快速響應時間、高可靠性、故障報告能力和診斷特性，有助于解決云應用、工業、汽車和電信設備過流保護的挑戰。

關于安森美半導體
安森美半導體(ON Semiconductor，美國納斯達克上市代號：ON)致力于推動高能效電子的創新，使客戶能夠減少全球的能源使用。安森美半導體領先于供應基于半導體的方案，提供全面的高能效電源管理、模擬、傳感器、邏輯、時序、互通互聯、分立、系統單芯片(SoC)及定制器件陣容。公司的產品幫助工程師解決他們在汽車、通信、計算機、消費電子、工業、醫療、航空及國防應用的獨特設計挑戰。公司運營敏銳、可靠、世界一流的供應鏈及品質項目，一套強有力的守法和道德規范計劃，及在北美、歐洲和亞太地區之關鍵市場運營包括制造廠、銷售辦事處及設計中心在內的業務網絡。更多信息請訪問http://www.onsemi.cn。

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