电子保险丝迎接云应用过流保护的挑战

如今，新的复杂业务模型正在采用基于云的平台，通过消除对内部数据中心的需求来提高效率、降低资本支出 （CAPEX） 和运营支出 （OPEX）。云存储和基于云的服务的采用代表了真正的大趋势，不仅在大型组织中越来越受欢迎，而且在过去几年中采用率显着增加的中小型企业 （SMB） 中也越来越受欢迎。 对于大多数组织而言，这种趋势将持续下去，但有一些组织例外，即出于性能、可靠性或网络和数据安全原因而需要保留内部数据中心的组织。

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。据估计，数据中心和基于云的存储消耗了当今产生的总能源的 3% 左右，并且随着对云存储和数据中心的需求以如此快速的速度增长，预计能源需求将在近学期。由于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，数据中心设计人员面临着通过采用先进的配电和管理解决方案来提高能源效率的挑战，同时保持或减少外形尺寸。在该领域，即使效率的最小部分百分比提高也可以等同于宝贵的大量能源和成本节约。

一个重要的目标是降低电源使用效率 （PUE） 比率。为了实现这一目标，需要技术来实现更高的效率、准确性和可靠性。这适用于配电系统 （PDU）、母线槽以及不间断电源 （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增加，对过流保护的要求比以往任何时候都更具挑战性，并已成为所有保护考虑因素中最关键的要素之一。对更高的准确性、可靠性、安全性（例如，满足 IEC 62368 标准）和具有高级诊断功能的快速响应时间的需求正变得越来越普遍。传统熔断器由于反应迟钝以及缺乏诊断或故障报告而无法满足这些要求。

eFuses 的规格和性能与等效的传统保险丝（如熔断器和聚合正温度系数 （PPTC） 自恢复保险丝）的规格和性能的比较表明，eFuses 具有非常低的响应时间和浪涌电流控制，可大大降低短路时的电流尖峰电路事件发生。

图 1. eFuse 与传统保险丝的比较

由于这些原因以及过去几年新技术的出现，在可行的情况下，设计人员一直在寻求用热插拔控制器和外部 FET 或 eFuse 替代传统保险丝。eFuse 包含一个带有集成控制器的功率 MOSFET 和许多内置保护功能，包括过压、过流-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 而不是集成的，通常用于更高电流的应用。

图 2. eFuse 的特性

两种技术之间的主要区别在于 eFuse 能够实时跟踪内置 MOSFET 管芯温度和电流，并非常迅速地采取纠正措施。尽管如此，能够通过放大主 MOSFET 来放大电流的热插拔控制器在超过 100A 的高电流应用中仍然很受欢迎。然而，具有从小于 1A 到 50A（取决于 Rds（on）、封装以及边界条件）的持续载流能力的 eFuse 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 eFuse 来放大

节省电路板空间

成本效益

难以保证 SOA

高级功能和诊断

电流可以使用不同的 FET 进行缩放

对电流限制的严格容忍

更高的价格

eFuse 目前用于各种云应用，包括用作存储设备的企业 HDD 和 SSD、存储系统中的背板保护、服务器和热插拔风扇。每个应用程序都会带来不同的挑战。驱动感性和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，同时实现功能安全，同时满足严格的能效要求。一些关键应用和相关挑战如下：

图 4. 云应用程序中的 eFuse

适用于所有应用的快速、准确的过流保护：传统解决方案，如熔断器和 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。与此同时，大多数 eFuse 会根据编程的电流限值在几微秒 （《5µs） 内响应短路事件，并将电流保持在编程值，直到芯片温度超过热关断阈值。

热插拔风扇和存储系统：

由于与这些应用相关的电机或大输出电容器，在启动期间可能会出现大的浪涌电流。然而，在输出端具有可控和可编程压摆率的电子保险丝有助于减少大浪涌电流，从而保护系统。特别是对于风扇，使用和不使用 eFuse 的操作对涌入电流有巨大的影响。使用 eFuse 可显着降低浪涌电流，从而保护下游电路。

电源过压保护：

有可能由于电源故障或连接到过流保护输入端的 DC-DC 转换器故障，所有下游电路都会经历过压应力，可能不会达到如此高的额定值电压。幸运的是，eFuse 具有内置的过压保护功能，即使输入电压远高于工作电压，它也能将设备的输出钳位到某个安全电压水平。从而保护下游电路免受过压应力的影响。在许多情况下，被保护的电路对过压应力的耐受性非常低。因此，过压保护不仅要可靠，而且要非常快。对于 eFuse，检测和激活内部钳位的时间可以在 《5µs 的数量级。

安森美半导体开发了范围从 3V 到 12V 的各种电子保险丝，支持从 1A 到 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，适用于需要过流、过温、过压和浪涌电流保护的应用，以及报告故障的能力因为通过 GPIO 禁用输出。DFN10 （3mm x 3mm） 和 DFN10 （4mm x 4mm） 封装在不断减少整体设计外形尺寸的压力下有助于应对挑战并支持紧凑的电路板布局。

概括

由于压力的增加和提高电源使用效率 （PUE） 比率的愿望、数据中心和云服务器功率密度的增加以及安全标准的采用，过流保护设备的负担正在发生变化并变得更加复杂。 电子保险丝具有高精度、快速响应时间、可靠性、故障报告功能和诊断功能，有助于解决过流保护方面的挑战，不仅适用于云应用，还适用于工业、汽车和电信设备。

作者：Pramit Nandy ，Sudhama Shastri

审核编辑：郭婷