eFuse如何结局面对云应用过流保护的挑战

云存储市场规模将以 23.7%的复合年增长率(CAGR)增长，预计到 2022 年将达到 889.1 亿美元。据估计，目前数据中心和云存储会消耗总发电量的 3%，而随着业界对云存储和数据中心的需求以这样的速度快速增长，预计能源需求在短期内会显著增加。由于能源使用对环境的影响，以及有望节省数百万美元的运营成本，数据中心设计人员受到挑战，需要采用先进的配电和管理方案来提高能效，同时保持或减小外形尺寸。在这方面，即使实现很小百分点的能效改善，也可以节省大量宝贵的能源和成本。

一个重要目标是降低电源使用效率(PUE)比率。要实现这个目标，就需要使用技术来获得更高的能效、准确性和可靠性。这涉及到配电系统(PDU)、母线槽、不间断电源(UPS)及其保护电路。

由于数据中心和云存储系统的功率密度不断提高，对过流保护的要求比以往任何时候都更具挑战性，并且已成为所有的保护考虑因素当中最关键的因素之一。业界越来越需要提高准确性、可靠性、安全性(例如满足 IEC 62368 标准)和加快响应速度以及先进诊断。传统的保险丝由于响应迟缓、缺乏诊断或故障报告而不能满足这些要求。

将电子保险丝(eFuse)的规格和性能与同等传统保险丝——例如熔断式保险丝和聚合物正温度系数(PPTC)可复位保险丝——的进行比较，可知 eFuse 具有非常短的响应时间和非常好的浪涌电流控制，在发生短路时可大幅减小电流尖峰。

图 1：eFuse 与传统保险丝对比

由于上述原因和近年来新技术的出现，只要情况允许，设计人员就会试图将传统的保险丝替换成热插拔控制器加外部 FET，或者 eFuse。eFuse 包含一个功率 MOSFET 和一个集成控制器，并具有许多内置保护功能，例如过压、过流、电池短路和热保护，以及诊断功能，例如电源正常(power good)、电流监控和故障 / 使能。另一方面，热插拔控制器是使用外部 FET 而不是集成式 FET，并且通常用于较大电流的应用。

图 2：eFuse 的功能

两种技术的主要区别在于，eFuse 能够实时跟踪内置 MOSFET 裸片的温度和电流，并迅速采取纠正措施;热插拔控制器可以通过增大主 MOSFET 来增大电流，因此在超过 100A 的大电流应用中仍将受到欢迎。然而，eFuse 可承受从 1A 以下到 50A 的连续电流(取决于导通 RDS(ON)、封装和边界条件)，因此有望在服务器和云存储应用中普及。

图 3：eFuse 和热插拔控制器

eFuse 现已在各种云应用中有所使用，包括用作存储设备的企业硬盘驱动器(HDD)和固态硬盘(SSD)、存储系统中的背板保护、服务器和热插拔风扇。每种应用都提出了不同的挑战。驱动电感性和电容性负载时会产生电应力，热插拔和短路也会产生应力，因此很难保证系统工作在安全工作区(SOA)，并在满足严格能效要求的同时实现功能安全。一些关键应用和相关挑战如下。

图 4：eFuse 在云应用中的使用

1. 面向所有应用的快速、准确的过流保护：熔断式保险丝和 PPTC 等传统解决方案的耐受性非常差，响应时间和跳闸时间从几百毫秒到几秒不等，具体取决于短路事件的类型。同时，大多数 eFuse 都会根据所编程的电流限值，在几微秒(<5µs)内对短路事件做出响应，并将电流保持在编程值处，直到裸片温度超过热关断阈值为止。

2. 可热插拔风扇和存储系统：由于这些应用涉及到电机或具有大输出电容器，它们在启动时可能会出现大浪涌电流。然而，在输出端采用转换速率可控可编程的 eFuse，有助于减少大浪涌电流，而使系统受到保护。特别是对于风扇来说，是否有采用 eFuse，对浪涌电流有很大的影响。有 eFuse 的话，浪涌电流可大幅降低，从而保护下游电路。

3. 电源过压保护：过流保护输入端所连的电源或 DC-DC 转换器有可能发生故障，而使所有下游电路遭受过压应力，但其耐压水平可能没那么高。幸运的是，eFuse 内置过压保护功能，即使输入电压远高于工作电压，它也可将器件的输出钳位到一定的安全电压水平。这样就可以保护下游电路免受过压应力的影响。在许多情况下，受保护的电路可耐受的过电压应力非常低。因此，过压保护不仅要可靠，还要非常快。对于 eFuse 来说，检测并激活内部钳位的时间约<5µs。

安森美半导体已开发出多种 eFuse，范围从 3V 到 12V 不等，并支持从 1A 到 12A 的连续电流。最新的器件是 12V eFuse 系列——NIS5232、NIS5820、NIS5020 和 NIS5021——分别支持 4A、8A、10A 和 12A，可用于需要过流、过热、过压和浪涌电流保护的应用，并能通过 GPIO 报告故障以及禁用输出。在不断减小整体设计尺寸的压力下，DFN10(3mm x 3mm)和 DFN10(4mm x 4mm)封装有助于应对挑战并支持紧凑的电路板布局。

总结

由于提高电源使用效率的压力和愿望与日俱增，数据中心和云服务器的功率密度不断增加，以及安全标准的推行，过流保护器件所承受的负担正在改变并变得更加复杂。eFuse 具备高精度、快速响应速度、高可靠性、故障报告功能和诊断特性，有助于解决云应用、工业、汽车和电信设备过流保护的挑战。