电子保险丝应对云应用的过流保护挑战

如今，新的复杂业务模型正在采用基于云的平台，以通过消除内部数据中心的需求来提高效率，减少资本支出(CAPEX)和运营支出(OPEX)。云存储和基于云的服务的采用代表了一个真正的大趋势，不仅在大型组织中越来越受欢迎，而且在中小型企业(SMB)中也越来越受欢迎，在过去几年中，这种情况已大大增加。对于大多数组织来说，这种趋势将继续下去，除了少数组织出于性能，可靠性或网络和数据安全性的原因而需要保留内部数据中心的组织之外。

到2022年，云存储市场规模预计将以23.7%的复合年增长率增长，并将达到$ 88.91B。根据一项估算，数据中心和基于云的存储消耗的能源约占当今总发电量的3%，并且随着对云存储和数据中心的需求以如此之快的速度增长，预计能源需求将在不久的将来显着增加。术语。在能源使用对环境的影响以及节省数百万美元运营成本的潜力的推动下，数据中心设计人员面临挑战，即在保持或减少外形尺寸的同时，采用先进的配电和管理解决方案来提高能源效率。在该行业中，即使效率提高的比例很小，也可以相当于宝贵的大量能源和成本节省。

一个重要的目标是降低电源使用效率(PUE)比率。为了达到这个目的，需要技术来获得更高的效率，准确性和可靠性。这适用于配电系统(PDU)，母线槽，不间断电源(UPS)以及用于保护它们的电路。

由于数据中心和基于云的系统的功率密度不断提高，对过电流保护的要求比以往更具挑战性，并且已成为所有保护考虑因素中最关键的要素之一。对具有高级诊断功能的更好的准确性，可靠性，安全性(例如，符合IEC 62368标准)和快速响应时间的需求正变得越来越普遍。传统的保险丝由于响应迟钝，缺乏诊断或故障报告而无法满足这些要求。

将eFuse的规格和性能与等效的传统熔断器(例如熔断式熔断器和聚合正温度系数(PPTC)可重置熔断器)进行比较，可以看出eFuse具有非常低的响应时间和浪涌电流控制，可在短路时大大降低电流尖峰发生电路事件。

图1. eFuse与传统保险丝的比较

由于这些原因，并且在过去几年中，只要可行，新技术的出现，设计人员就试图用热插拔控制器，外部FET或eFuse代替传统的保险丝。eFuse包括具有集成控制器的功率MOSFET和众多内置保护功能，包括过压，过电流-电池短路和热保护，以及诊断功能，例如电源良好，电流监控和故障/启用。另一方面，热插拔控制器使用外部FET而不是集成FET，通常用于更高电流的应用。

图2. eFuse的功能

两种技术之间的主要区别在于eFuse能够实时跟踪内置MOSFET芯片温度和电流，并能迅速采取纠正措施。但是，热插拔控制器具有通过按比例放大主MOSFET来按比例放大电流的能力，在超过100A的高电流应用中仍将流行。但是，eFuse的连续载流能力从1A到50A(取决于Rds(on)，封装和边界条件)，有望在服务器和云存储应用中获得普及。

图3. eFuse和热插拔控制器始终在SOA中运行

•实时热反馈

•电流可以通过并联电子保险丝来扩大

•节省电路板空间

•具有成本效益

•难以保证SOA

•进阶功能和诊断

•可以使用不同的FET缩放电流

•严格的电流限制公差

•价格较高

今天，eFuse在各种云应用程序中使用，包括用作存储设备的企业HDD和SSD，存储系统中的背板保护，服务器和可热插拔的风扇。每个应用程序都带来不同的挑战。驱动电感性和电容性负载时产生的电应力，热插拔和短路引起的应力使得难以保证在安全工作区(SOA)内运行，同时在满足严格的能源效率要求的同时实现功能安全。一些关键的应用程序和相关的挑战如下：

图4.云应用程序中的电子保险丝

适用于所有应用的快速，准确的过流保护：传统解决方案(如熔断保险丝和PPTC)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，具体取决于短路类型事件。同时，大多数eFuse都基于编程的电流极限值在几微秒(<5µs)内对短路事件做出响应，并将电流保持在编程值，直到芯片温度超过热关断阈值为止。

可热插拔的风扇和存储系统：

由于与这些应用程序相关的电动机或较大的输出电容器，在启动过程中可能会产生较大的浪涌电流。但是，在输出上具有可控制的可编程压摆率的eFuse有助于减少大的浪涌电流，从而保护了系统。专门针对风扇，使用和不使用eFuse的操作都会对浪涌电流产生巨大影响。eFuse的浪涌电流大大降低，从而保护了下游电路。

电源的过压保护：

由于电源故障或连接到过流保护输入的DC-DC转换器故障，所有下游电路都可能承受过压应力，因此可能无法将其评估为如此高的电压电压。幸运的是，eFuses具有内置的过压保护功能，即使输入电压远高于工作电压，该功能也可以将设备的输出钳位到一定的安全电压水平。因此保护了下游电路免受过压应力的影响。在许多情况下，受保护的电路对过电压应力的耐受性非常低。结果，过电压保护不仅需要可靠，而且非常快。对于eFuse，检测和激活内部钳位的时间约为<5µs。

安森美半导体已开发出范围从3V至12V的各种eFuse，可支持1A至12A的连续电流。最新的器件是12V eFuse系列，NIS5232，NIS5820，NIS5020和NIS5021，它们分别支持4A，8A，10A和12A，用于需要过流，过热，过压和浪涌电流保护的应用，并且还具有报告故障的能力作为禁用通过GPIO的输出。DFN10(3mm x 3mm)和DFN10(4mm x 4mm)封装具有降低整体设计尺寸的不懈压力，有助于应对挑战并支持紧凑的电路板布局。