電子保險(xiǎn)絲應(yīng)對(duì)云應(yīng)用的過流保護(hù)挑戰(zhàn)

如今，新的復(fù)雜業(yè)務(wù)模型正在采用基于云的平臺(tái)，以通過消除內(nèi)部數(shù)據(jù)中心的需求來提高效率，減少資本支出(CAPEX)和運(yùn)營(yíng)支出(OPEX)。云存儲(chǔ)和基于云的服務(wù)的采用代表了一個(gè)真正的大趨勢(shì)，不僅在大型組織中越來越受歡迎，而且在中小型企業(yè)(SMB)中也越來越受歡迎，在過去幾年中，這種情況已大大增加。對(duì)于大多數(shù)組織來說，這種趨勢(shì)將繼續(xù)下去，除了少數(shù)組織出于性能，可靠性或網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)安全性的原因而需要保留內(nèi)部數(shù)據(jù)中心的組織之外。

到2022年，云存儲(chǔ)市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將以23.7%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，并將達(dá)到$ 88.91B。根據(jù)一項(xiàng)估算，數(shù)據(jù)中心和基于云的存儲(chǔ)消耗的能源約占當(dāng)今總發(fā)電量的3%，并且隨著對(duì)云存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)中心的需求以如此之快的速度增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)能源需求將在不久的將來顯著增加。術(shù)語。在能源使用對(duì)環(huán)境的影響以及節(jié)省數(shù)百萬美元運(yùn)營(yíng)成本的潛力的推動(dòng)下，數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)人員面臨挑戰(zhàn)，即在保持或減少外形尺寸的同時(shí)，采用先進(jìn)的配電和管理解決方案來提高能源效率。在該行業(yè)中，即使效率提高的比例很小，也可以相當(dāng)于寶貴的大量能源和成本節(jié)省。

一個(gè)重要的目標(biāo)是降低電源使用效率(PUE)比率。為了達(dá)到這個(gè)目的，需要技術(shù)來獲得更高的效率，準(zhǔn)確性和可靠性。這適用于配電系統(tǒng)(PDU)，母線槽，不間斷電源(UPS)以及用于保護(hù)它們的電路。

由于數(shù)據(jù)中心和基于云的系統(tǒng)的功率密度不斷提高，對(duì)過電流保護(hù)的要求比以往更具挑戰(zhàn)性，并且已成為所有保護(hù)考慮因素中最關(guān)鍵的要素之一。對(duì)具有高級(jí)診斷功能的更好的準(zhǔn)確性，可靠性，安全性(例如，符合IEC 62368標(biāo)準(zhǔn))和快速響應(yīng)時(shí)間的需求正變得越來越普遍。傳統(tǒng)的保險(xiǎn)絲由于響應(yīng)遲鈍，缺乏診斷或故障報(bào)告而無法滿足這些要求。

將eFuse的規(guī)格和性能與等效的傳統(tǒng)熔斷器(例如熔斷式熔斷器和聚合正溫度系數(shù)(PPTC)可重置熔斷器)進(jìn)行比較，可以看出eFuse具有非常低的響應(yīng)時(shí)間和浪涌電流控制，可在短路時(shí)大大降低電流尖峰發(fā)生電路事件。

圖1. eFuse與傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲的比較

由于這些原因，并且在過去幾年中，只要可行，新技術(shù)的出現(xiàn)，設(shè)計(jì)人員就試圖用熱插拔控制器，外部FET或eFuse代替?zhèn)鹘y(tǒng)的保險(xiǎn)絲。eFuse包括具有集成控制器的功率MOSFET和眾多內(nèi)置保護(hù)功能，包括過壓，過電流-電池短路和熱保護(hù)，以及診斷功能，例如電源良好，電流監(jiān)控和故障/啟用。另一方面，熱插拔控制器使用外部FET而不是集成FET，通常用于更高電流的應(yīng)用。

圖2. eFuse的功能

兩種技術(shù)之間的主要區(qū)別在于eFuse能夠?qū)崟r(shí)跟蹤內(nèi)置MOSFET芯片溫度和電流，并能迅速采取糾正措施。但是，熱插拔控制器具有通過按比例放大主MOSFET來按比例放大電流的能力，在超過100A的高電流應(yīng)用中仍將流行。但是，eFuse的連續(xù)載流能力從1A到50A(取決于Rds(on)，封裝和邊界條件)，有望在服務(wù)器和云存儲(chǔ)應(yīng)用中獲得普及。

圖3. eFuse和熱插拔控制器始終在SOA中運(yùn)行

?實(shí)時(shí)熱反饋

?電流可以通過并聯(lián)電子保險(xiǎn)絲來擴(kuò)大

?節(jié)省電路板空間

?具有成本效益

?難以保證SOA

?進(jìn)階功能和診斷

?可以使用不同的FET縮放電流

?嚴(yán)格的電流限制公差

?價(jià)格較高

今天，eFuse在各種云應(yīng)用程序中使用，包括用作存儲(chǔ)設(shè)備的企業(yè)HDD和SSD，存儲(chǔ)系統(tǒng)中的背板保護(hù)，服務(wù)器和可熱插拔的風(fēng)扇。每個(gè)應(yīng)用程序都帶來不同的挑戰(zhàn)。驅(qū)動(dòng)電感性和電容性負(fù)載時(shí)產(chǎn)生的電應(yīng)力，熱插拔和短路引起的應(yīng)力使得難以保證在安全工作區(qū)(SOA)內(nèi)運(yùn)行，同時(shí)在滿足嚴(yán)格的能源效率要求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)功能安全。一些關(guān)鍵的應(yīng)用程序和相關(guān)的挑戰(zhàn)如下：

圖4.云應(yīng)用程序中的電子保險(xiǎn)絲

適用于所有應(yīng)用的快速，準(zhǔn)確的過流保護(hù)：傳統(tǒng)解決方案(如熔斷保險(xiǎn)絲和PPTC)的耐受性非常差，響應(yīng)時(shí)間和跳閘時(shí)間從幾百毫秒到幾秒不等，具體取決于短路類型事件。同時(shí)，大多數(shù)eFuse都基于編程的電流極限值在幾微秒(<5μs)內(nèi)對(duì)短路事件做出響應(yīng)，并將電流保持在編程值，直到芯片溫度超過熱關(guān)斷閾值為止。

可熱插拔的風(fēng)扇和存儲(chǔ)系統(tǒng)：

由于與這些應(yīng)用程序相關(guān)的電動(dòng)機(jī)或較大的輸出電容器，在啟動(dòng)過程中可能會(huì)產(chǎn)生較大的浪涌電流。但是，在輸出上具有可控制的可編程壓擺率的eFuse有助于減少大的浪涌電流，從而保護(hù)了系統(tǒng)。專門針對(duì)風(fēng)扇，使用和不使用eFuse的操作都會(huì)對(duì)浪涌電流產(chǎn)生巨大影響。eFuse的浪涌電流大大降低，從而保護(hù)了下游電路。

電源的過壓保護(hù)：

由于電源故障或連接到過流保護(hù)輸入的DC-DC轉(zhuǎn)換器故障，所有下游電路都可能承受過壓應(yīng)力，因此可能無法將其評(píng)估為如此高的電壓電壓。幸運(yùn)的是，eFuses具有內(nèi)置的過壓保護(hù)功能，即使輸入電壓遠(yuǎn)高于工作電壓，該功能也可以將設(shè)備的輸出鉗位到一定的安全電壓水平。因此保護(hù)了下游電路免受過壓應(yīng)力的影響。在許多情況下，受保護(hù)的電路對(duì)過電壓應(yīng)力的耐受性非常低。結(jié)果，過電壓保護(hù)不僅需要可靠，而且非?？臁?duì)于eFuse，檢測(cè)和激活內(nèi)部鉗位的時(shí)間約為<5μs。

安森美半導(dǎo)體已開發(fā)出范圍從3V至12V的各種eFuse，可支持1A至12A的連續(xù)電流。最新的器件是12V eFuse系列，NIS5232，NIS5820，NIS5020和NIS5021，它們分別支持4A，8A，10A和12A，用于需要過流，過熱，過壓和浪涌電流保護(hù)的應(yīng)用，并且還具有報(bào)告故障的能力作為禁用通過GPIO的輸出。DFN10(3mm x 3mm)和DFN10(4mm x 4mm)封裝具有降低整體設(shè)計(jì)尺寸的不懈壓力，有助于應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)并支持緊湊的電路板布局。