eFuse有助于解決云應(yīng)用過流保護

eFuse 現(xiàn)已在各種云應(yīng)用中使用，包括用作存儲設(shè)備的企業(yè)硬盤驅(qū)動器（HDD）和固態(tài)硬盤（SSD）、存儲系統(tǒng)中的背板保護、服務(wù)器和熱插拔風(fēng)扇。每種應(yīng)用都提出了不同的挑戰(zhàn)。驅(qū)動電感性和電容性負(fù)載時會產(chǎn)生電應(yīng)力，熱插拔和短路也會產(chǎn)生應(yīng)力，因此很難保證系統(tǒng)工作在安全工作區(qū)（SOA），并在滿足嚴(yán)格能效要求的同時實現(xiàn)功能安全。

如今，新的復(fù)雜業(yè)務(wù)模型正采用基于云的平臺，通過省去內(nèi)部數(shù)據(jù)中心來提高效率、減少資本支出（CAPEX）和運營支出（OPEX）。云存儲和云服務(wù)的采用代表了一個真正的大趨勢，近幾年不僅在大型企業(yè)越來越流行，而且在中小型企業(yè)（SMB）中所占比例也顯著增加。除了少數(shù)企業(yè)出于性能、可靠性或網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)安全原因而需要保留內(nèi)部數(shù)據(jù)中心，大多數(shù)企業(yè)會持續(xù)這種趨勢。

云存儲市場規(guī)模將以 23.7%的復(fù)合年增長率（CAGR）增長，預(yù)計到 2022 年將達(dá)到 889.1 億美元。據(jù)估計，目前數(shù)據(jù)中心和云存儲會消耗總發(fā)電量的 3%，而隨著業(yè)界對云存儲和數(shù)據(jù)中心的需求以這樣的速度快速增長，預(yù)計能源需求在短期內(nèi)會顯著增加。由于能源使用對環(huán)境的影響，以及有望節(jié)省數(shù)百萬美元的運營成本，數(shù)據(jù)中心設(shè)計人員受到挑戰(zhàn)，需要采用先進(jìn)的配電和管理方案來提高能效，同時保持或減小外形尺寸。在這方面，即使實現(xiàn)很小百分點的能效改善，也可以節(jié)省大量寶貴的能源和成本。

一個重要目標(biāo)是降低電源使用效率（PUE）比率。要實現(xiàn)這個目標(biāo)，就需要使用技術(shù)來獲得更高的能效、準(zhǔn)確性和可靠性。這涉及到配電系統(tǒng)（PDU）、母線槽、不間斷電源（UPS）及其保護電路。

由于數(shù)據(jù)中心和云存儲系統(tǒng)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(zhàn)性，并且已成為所有的保護考慮因素當(dāng)中最關(guān)鍵的因素之一。業(yè)界越來越需要提高準(zhǔn)確性、可靠性、安全性（例如滿足 IEC 62368 標(biāo)準(zhǔn)）和加快響應(yīng)速度以及先進(jìn)診斷。傳統(tǒng)的保險絲由于響應(yīng)遲緩、缺乏診斷或故障報告而不能滿足這些要求。

將電子保險絲（eFuse）的規(guī)格和性能與同等傳統(tǒng)保險絲——例如熔斷式保險絲和聚合物正溫度系數(shù)（PPTC）可復(fù)位保險絲——的進(jìn)行比較，可知 eFuse 具有非常短的響應(yīng)時間和非常好的浪涌電流控制，在發(fā)生短路時可大幅減小電流尖峰。

圖 1：eFuse 與傳統(tǒng)保險絲對比。

由于上述原因和近年來新技術(shù)的出現(xiàn)，只要情況允許，設(shè)計人員就會試圖將傳統(tǒng)的保險絲替換成熱插拔控制器加外部 FET，或者 eFuse。eFuse 包含一個功率 MOSFET 和一個集成控制器，并具有許多內(nèi)置保護功能，例如過壓、過流、電池短路和熱保護，以及診斷功能，例如電源正常（power good）、電流監(jiān)控和故障 / 使能。另一方面，熱插拔控制器是使用外部 FET 而不是集成式 FET，并且通常用于較大電流的應(yīng)用。

圖 2：eFuse 的功能。

兩種技術(shù)的主要區(qū)別在于，eFuse 能夠?qū)崟r跟蹤內(nèi)置 MOSFET 裸片的溫度和電流，并迅速采取糾正措施；熱插拔控制器可以通過增大主 MOSFET 來增大電流，因此在超過 100A 的大電流應(yīng)用中仍將受到歡迎。然而，eFuse 可承受從 1A 以下到 50A 的連續(xù)電流（取決于導(dǎo)通 RDS（ON）、封裝和邊界條件），因此有望在服務(wù)器和云存儲應(yīng)用中普及。

圖 3：eFuse 和熱插拔控制器。

eFuse 現(xiàn)已在各種云應(yīng)用中有所使用，包括用作存儲設(shè)備的企業(yè)硬盤驅(qū)動器（HDD）和固態(tài)硬盤（SSD）、存儲系統(tǒng)中的背板保護、服務(wù)器和熱插拔風(fēng)扇。每種應(yīng)用都提出了不同的挑戰(zhàn)。驅(qū)動電感性和電容性負(fù)載時會產(chǎn)生電應(yīng)力，熱插拔和短路也會產(chǎn)生應(yīng)力，因此很難保證系統(tǒng)工作在安全工作區(qū)（SOA），并在滿足嚴(yán)格能效要求的同時實現(xiàn)功能安全。一些關(guān)鍵應(yīng)用和相關(guān)挑戰(zhàn)如下。

圖 4：eFuse 在云應(yīng)用中的使用。

1. 面向所有應(yīng)用的快速、準(zhǔn)確的過流保護：熔斷式保險絲和 PPTC 等傳統(tǒng)解決方案的耐受性非常差，響應(yīng)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(shù) eFuse 都會根據(jù)所編程的電流限值，在幾微秒（《5？s）內(nèi)對短路事件做出響應(yīng)，并將電流保持在編程值處，直到裸片溫度超過熱關(guān)斷閾值為止。

2. 可熱插拔風(fēng)扇和存儲系統(tǒng)：由于這些應(yīng)用涉及到電機或具有大輸出電容器，它們在啟動時可能會出現(xiàn)大浪涌電流。然而，在輸出端采用轉(zhuǎn)換速率可控可編程的 eFuse，有助于減少大浪涌電流，而使系統(tǒng)受到保護。特別是對于風(fēng)扇來說，是否有采用 eFuse，對浪涌電流有很大的影響。有 eFuse 的話，浪涌電流可大幅降低，從而保護下游電路。

3. 電源過壓保護：過流保護輸入端所連的電源或 DC-DC 轉(zhuǎn)換器有可能發(fā)生故障，而使所有下游電路遭受過壓應(yīng)力，但其耐壓水平可能沒那么高。幸運的是，eFuse 內(nèi)置過壓保護功能，即使輸入電壓遠(yuǎn)高于工作電壓，它也可將器件的輸出鉗位到一定的安全電壓水平。這樣就可以保護下游電路免受過壓應(yīng)力的影響。在許多情況下，受保護的電路可耐受的過電壓應(yīng)力非常低。因此，過壓保護不僅要可靠，還要非常快。對于 eFuse 來說，檢測并激活內(nèi)部鉗位的時間約《5？s。

安森美半導(dǎo)體已開發(fā)出多種 eFuse，范圍從 3V 到 12V 不等，并支持從 1A 到 12A 的連續(xù)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，可用于需要過流、過熱、過壓和浪涌電流保護的應(yīng)用，并能通過 GPIO 報告故障以及禁用輸出。在不斷減小整體設(shè)計尺寸的壓力下，DFN10（3mm x 3mm）和 DFN10（4mm x 4mm）封裝有助于應(yīng)對挑戰(zhàn)并支持緊湊的電路板布局。

總結(jié)

由于提高電源使用效率的壓力和愿望與日俱增，數(shù)據(jù)中心和云服務(wù)器的功率密度不斷增加，以及安全標(biāo)準(zhǔn)的推行，過流保護器件所承受的負(fù)擔(dān)正在改變并變得更加復(fù)雜。eFuse 具備高精度、快速響應(yīng)速度、高可靠性、故障報告功能和診斷特性，有助于解決云應(yīng)用、工業(yè)、汽車和電信設(shè)備過流保護的挑戰(zhàn)。