eFuse應對雲應用過流保護的挑戰
2020-12-06 電子產品世界如今，新的複雜業務模型正採用基於雲的平臺，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）。採用雲存儲和基於雲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）中所佔比例也顯著增加。除了少數企業出於性能、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。
雲存儲市場規模將以23.7%的複合年增長率(CAGR)增長，預計到2022年將達到889.1億美元。據估計，數據中心和基於雲的存儲消耗當今總發電量的3%，隨著對雲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。由於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，要通過採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，也相當於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。
由於數據中心和基於雲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，並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。傳統保險絲由於響應遲緩、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係數（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湧電流控制，在發生短路時大大減小電流尖峰。
圖1. eFuse對比傳統保險絲
由於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，且通常用於較高電流應用。
圖2. eFuse的功能
兩種技術的主要區別在於eFuse能夠實時跟蹤內置MOSFET晶片溫度和電流，並能迅速採取糾正措施。 儘管如此，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（取決於導通Rds(on)、封裝和邊界條件），有望在伺服器和雲存儲應用中普及。
圖3. eFuse和熱插拔控制器
eFuse現在被應用於各種雲應用中，包括用作存儲設備的企業硬碟驅動器(HDD)和固態硬碟(SSD)、存儲系統中的背板保護、伺服器和熱插拔風扇。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，並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：
圖4. eFuse用於雲應用
1. 適用於所有應用的快速、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，具體取決於短路事件的類型。 同時，大多數eFuse都基於編程的電流極限值在幾微秒（<5µs）內響應短路事件，並將電流保持在編程值，直到晶片溫度超過熱關斷閾值為止。
2. 熱插拔風扇和存儲系統：由於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湧流。然而，在輸出端採用可控制和可編程轉換率的eFuse有助於減少大浪湧電流，從而保護系統。特別是對於風扇來說，有和沒有eFuse的運行對浪湧電流有很大的影響。有eFuse，浪湧電流大大降低，從而保護下遊電路。
3. 對電源的過壓保護：由於電源故障或連接到過流保護輸入的DC-DC轉換器故障，所有下遊電路都可能承受過壓應力，這些電路的耐壓可能沒那麼高。 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，即使輸入電壓遠高於工作電壓。 因此保護了下遊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，還要非常快。 對於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，用於需要過流、過熱、過壓和浪湧電流保護的應用，並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）封裝有助於應對挑戰和支援緊湊的布板。
總結
由於提高電源使用效率(PUE)比率日增的壓力和願望，數據中心和雲伺服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並變得更加複雜。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，有助於解決雲應用、工業、汽車和電信設備過流保護的挑戰。
作者介紹
安森美半導體產品營銷經理 Pramit Nandy
Pramit是安森美半導體產品營銷經理，致力於工業、電信和雲計算應用的電路保護。Pramit在用於汽車、工業和消費市場的電源、模擬和混合信號電路擁有驗。
約10年電氣系統和控制工程專業經驗，約5年模擬系統和應用工程經歷。
注釋
Melting Fuse：熔斷熔絲
PTC：正溫係數
DC Supply：直流電源
Spike in Current：電流尖峰
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
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
Internet Connectivity：網際網路聯接
Data Management：數據管理
Colocation Inter Connectivity：託管間聯接
Storage Management：存儲管理
Main Fuse：主保險絲
Aux eFuse: 輔助eFuse Fans：風扇
Server Racks：伺服器機架
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)
12V Main supply：12 V主電源
Blade Server Electronics：刀片伺服器
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