電子保險(xiǎn)絲如何縮短開發(fā)時(shí)間和降低設(shè)計(jì)成本

本文將介紹如何使用 TPS25985 和 TPS25990 電子保險(xiǎn)絲來縮短開發(fā)時(shí)間和降低設(shè)計(jì)成本

隨著數(shù)據(jù)需求的增加，服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心的需求也在增加，因此用電需求也隨之增加。行業(yè)趨勢(shì)表明，2020 年每個(gè)機(jī)架的功率為 4kW，到 2025 年將高達(dá) 20kW。

鑒于供數(shù)據(jù)中心和服務(wù)器使用的物理空間有限，服務(wù)器電源架構(gòu)產(chǎn)生了高功率密度要求，即在更小的區(qū)域內(nèi)提供更多的功率。提高服務(wù)器電源的效率還可以降低冷卻成本。

我們周圍的一切都急需獲得數(shù)據(jù)并由數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，所有這些數(shù)據(jù)都由數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器存儲(chǔ)和處理，如圖 1 所示。

圖 1：數(shù)據(jù)連接的生態(tài)系統(tǒng)

服務(wù)器通常具有可擴(kuò)展性和熱插拔功能，以滿足不同的處理要求并保持高系統(tǒng)可用性。為了實(shí)現(xiàn)無縫熱插拔功能，服務(wù)器主板和配電板采用熱插拔控制器或電子保險(xiǎn)絲。服務(wù)器電源中的電子保險(xiǎn)絲等元件需要提供更高電流，以滿足持續(xù)增長(zhǎng)的服務(wù)器用電要求。熱插拔和電子保險(xiǎn)絲等保護(hù)器件也需要處理高峰值電流，以便與服務(wù)器中現(xiàn)代微處理器的更高峰值處理能力匹配。圖 2 顯示了典型的服務(wù)器電源架構(gòu)。

圖 2：典型的服務(wù)器電源架構(gòu)

以往，大功率服務(wù)器設(shè)計(jì)包括帶有多個(gè)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 的熱插拔控制器。但是，服務(wù)器電源和功率密度要求呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。為了滿足這些需求并簡(jiǎn)化這些設(shè)計(jì)，可考慮在服務(wù)器電源架構(gòu)中使用 TPS25985（80A 峰值）和 TPS25990（60A 峰值，具有 PMBus 接口）電子保險(xiǎn)絲。TPS25985 和 TPS25990 可分別支持 60ADC 和 50ADC，并分別具有高達(dá) 60A 和 50A 的可調(diào)電流限值?？梢远询B無數(shù)個(gè) TPS25985 和 TPS25990 電子保險(xiǎn)絲以實(shí)現(xiàn)更高的電流。

實(shí)現(xiàn)高功率密度

功率密度是現(xiàn)代服務(wù)器電源裝置 (PSU) 的一項(xiàng)必備要求。新一代服務(wù)器 PSU 的額定功率范圍為 3kW（12V 時(shí)為 250A）。選擇電子保險(xiǎn)絲時(shí)，必須能夠以更小的尺寸提供更高的電流，這一點(diǎn)非常重要。TPS25985 采用 4.5mm×5mm 封裝，可提供 80A 峰值電流。圖 3 顯示了 TI 的一些電子保險(xiǎn)絲。

圖 3：TI 電子保險(xiǎn)絲的功率密度發(fā)展

通過集成 MOSFET、電流監(jiān)視器、比較器、有源電流共享和溫度監(jiān)視器，TPS25985 和 TPS25990 電子保險(xiǎn)絲顯著減小了印刷電路板或印刷線路板的總面積。連接多個(gè) TPS25985 和 TPS25990 電子保險(xiǎn)絲時(shí)，電路板顯著減小，功率密度提高了數(shù)倍。圖 4 顯示了 TPS25985 和 TPS25990 與市場(chǎng)上其他電子保險(xiǎn)絲相比的電流密度。

圖 4：電流和功率密度比較

電流共享和電流監(jiān)測(cè)器精度

熱插拔控制器無法非常精確地控制多個(gè)并聯(lián) MOSFET 的柵極；因此，并聯(lián) MOSFET 的電流共享并不準(zhǔn)確。精密放大器有助于實(shí)現(xiàn)高電流共享精度和電流監(jiān)測(cè)器精度，但添加它們會(huì)增加整個(gè)解決方案的尺寸。測(cè)量 MOSFET 的內(nèi)核溫度具有挑戰(zhàn)性，因此無法保障其在瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)條件下的熱保護(hù)性能。圖 5 突出顯示了 TPS25985 的關(guān)鍵引腳和功能。

圖 5：TPS25985 引腳排列，突出顯示了主要的差異化特性

TPS25985 和 TPS25990 電子保險(xiǎn)絲集成了有源電流共享和直接獲取 MOSFET 內(nèi)核參數(shù)（電壓、電流、溫度）的功能，可以精確控制所有并聯(lián)連接的電子保險(xiǎn)絲柵極，并精確監(jiān)測(cè)集成 FET 的內(nèi)核溫度。與不具備有源電流共享的電子保險(xiǎn)絲相比，TPS25985 和 TPS25990 使設(shè)計(jì)工程師能夠優(yōu)化電子保險(xiǎn)絲的數(shù)量和系統(tǒng)的性能。

集成的電流監(jiān)測(cè)器可使用 PSYS/PROCHOT 更大限度地提高服務(wù)器平臺(tái)的計(jì)算吞吐量和電源利用率，從而改進(jìn)該平臺(tái)的電源管理。這些特性還有助于優(yōu)化前端交流/直流電源，從而優(yōu)化系統(tǒng)成本。此外，可調(diào)節(jié)的瞬態(tài)電流消隱計(jì)時(shí)器可通過避免干擾性跳變來提高系統(tǒng)可靠性和總體可用性。

遠(yuǎn)程監(jiān)控

TPS25990 為系統(tǒng)增加了 PMBus 接口功能。TPS25990 支持具有可調(diào)接通延遲的單命令下電上電，從而允許系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師遠(yuǎn)程對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定序和復(fù)位。TPS25990 還提供黑盒功能，以相對(duì)時(shí)間戳記錄其中七個(gè)事件。TPS25990 包含高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使用戶能夠繪制其選擇的一個(gè)信號(hào)，充當(dāng)數(shù)字示波器的作用。TPS25990 的 GUI 及其他特性不僅可以幫助設(shè)計(jì)工程師縮短總開發(fā)時(shí)間，還可以快速識(shí)別和解決通常很難重現(xiàn)和排查的現(xiàn)場(chǎng)問題。

散熱注意事項(xiàng)

服務(wù)器電源系統(tǒng)在寬環(huán)境溫度范圍（–40oC 至 85oC）內(nèi)運(yùn)行。熱插拔控制器或電子保險(xiǎn)絲會(huì)遇到更高的環(huán)境溫度。因此，當(dāng)小型封裝產(chǎn)生大電流時(shí)，電源設(shè)計(jì)工程師需要關(guān)注這些器件的熱性能。TPS25985 和 TPS25990 電子保險(xiǎn)絲能夠在 125oC 的結(jié)溫下工作，從而緩解了這種擔(dān)憂。TPS25985 和 TPS25990 分別提供 0.59mΩ 和 0.79mΩ 的 RDS(on)；RDS(on) 在工藝、電壓和溫度范圍內(nèi)的變化不大。因此，這些電子保險(xiǎn)絲的自發(fā)熱非常低，工作溫度范圍很廣，而不會(huì)犧牲降額。圖 6 顯示了 TPS25985 的外殼溫度。

圖 6：VIN= 12V、IOUT= 50A、Tamb = 25°C 時(shí)的 TPS25985 外殼溫度

結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)工程師可以通過在服務(wù)器電源架構(gòu)中使用 TPS25985 和 TPS25990 電子保險(xiǎn)絲來縮短開發(fā)時(shí)間和降低設(shè)計(jì)成本。電子保險(xiǎn)絲的低 RDS(on)降低了系統(tǒng)中的功率損耗，幫助數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)其效率目標(biāo)。 更高的功率密度提高了數(shù)據(jù)中心的處理能力，并為最終用戶提供了在多個(gè)數(shù)據(jù)連接器件之間的無縫體驗(yàn)。電子保險(xiǎn)絲具備更好的診斷、擴(kuò)展和配置功能，可以幫助數(shù)據(jù)中心更大限度地減少停機(jī)時(shí)間，從而保持服務(wù)的連續(xù)性和為客戶提供高百分比正常運(yùn)行時(shí)間保證的能力。

審核編輯：湯梓紅