技术文章— eFuse应对云应用过流保护的挑战

如今，新的复杂业务模型正采用基于云的平台，通过省去内部数据中心，以提高效率，减少资本支出（CAPEX）和运营支出（OPEX）。采用云存储和基于云的服务代表一个真正的大趋势，近几年不仅在大型企业越来越流行，而且在中小型企业（SMB）中所占比例也显著增加。除了少数企业出于性能、可靠性或网络和数据安全原因而需要保留内部数据中心，大多数企业将持续这趋势。

云存储市场规模将以23.7%的复合年增长率(CAGR)增长，预计到2022年将达到889.1亿美元。据估计，数据中心和基于云的存储消耗当今总发电量的3%，随着对云存储和数据中心的需求以如此快的速度增长，预计能源需求在短期内将显著增加。由于能源使用对环境的影响和节省数百万美元运营成本的潜力，数据中心设计人员面临挑战，要通过采用先进的配电和管理方案来提高能效，同时保持或减小外形。在这领域，即使提高最小百分比的能效，也相当于节省大量宝贵的能源和成本。

一个重要的目标是降低电源使用效率（PUE）比率。 为实现这一目标，需要技术来获得更高的能效、准确性和可靠性。 这与配电系统（PDU）、母线槽、不间断电源（UPS）以及保护它们的电路。

由于数据中心和基于云的系统的功率密度不断提高，对过流保护的要求比以往任何时候都更具挑战性，并且已成为所有保护考虑因素中最关键的因素之一。对更高的准确性、可靠性、安全性（例如满足IEC 62368标准）和具有先进诊断的快速响应的需求正越来越普遍。传统保险丝由于响应迟缓、缺乏诊断或故障报告不能满足这些要求。

将电子保险丝(eFuse)与同等传统保险丝例如熔融熔断器和聚合物正温系数（PPTC）可复位保险丝的规格和性能进行比较表明，eFuse具有非常低的响应时间和浪涌电流控制，在发生短路时大大减小电流尖峰。

Melting Fuse：熔断熔丝

PTC：正温系数

DC Supply：直流电源

Spike in Current：电流尖峰

图1.eFuse对比传统保险丝

由于这些原因和近年新技术的出现，在可行的情况下，设计人员试图将传统的保险丝替换为热插拔控制器和外部FET，或者替换为eFuse。eFuse含集成控制器的功率MOSFET和许多内置保护功能包括过压、过流对电池短路和热保护以及诊断功能如电源自检(power good)、电流监测和故障/启用。另一方面，热插拔控制器使用外部FET而不是集成的FET，且通常用于较高电流应用。

Pass-transistor + Control circuit：导通管 + 控制电路

Current Monitor：电流监测

Load diagnostics：负载诊断

Load Control：负载控制

FAULT ENABLE：故障启用

Overvoltage Protection：过压保护

Immunity to power supply glitches/drift：不受电源故障/漂移的影响

Short to Battery Protection：对电池短路保护

Overcurrent & thermal Protection：过流及过热保护

Intimate thermal monitoring & unconditional safety：密切热监控和无条件安全

Short to Ground Protection：对地短路保护

Reverse Current Protection：反向电流保护

Polarity reversal protection：极性反转保护

Reverse bleed prevention：避免反流

Reverse Current Protection：反向电流保护

图2. eFuse的功能

两种技术的主要区别在于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。 尽管如此，热插拔控制器能通过放大主MOSFET来提高电流，在超过100A的高电流应用中仍会流行。 而eFuse的持续电流承受能力从1A到50A（取决于导通Rds(on)、封装和边界条件），有望在服务器和云存储应用中普及。

图3.eFuse和热插拔控制器

eFuse现在被应用于各种云应用中，包括用作存储设备的企业硬盘驱动器(HDD)和固态硬盘(SSD)、存储系统中的背板保护、服务器和热插拔风扇。每一应用都提出了不同的挑战。在驱动电感和电容负载时产生的电应力、热插拔和短路产生的应力，使得难以保证在安全工作区(SOA)运行，并且在满足严格的能效要求的同时实现功能安全。一些关键应用和相关挑战如下：

12V Main supply：12 V主电源

Internet Connectivity：互联网联接

Data Management：数据管理

Colocation Inter Connectivity：托管间联接

Storage Management：存储管理

Main Fuse：主保险丝

Aux eFuse: 辅助eFuse  Fans：风扇

Server Racks：服务器机架

Storage Racks：存储机架

Backplane：背板

Fast Switch：快速开关

Storage System (NAS)：存储系统 (网络附加存储NAS)

Blade Server Electronics：刀片服务器电子

图4. eFuse用于云应用

1. 适用于所有应用的快速、准确的过流保护：传统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，具体取决于短路事件的类型。 同时，大多数eFuse都基于编程的电流极限值在几微秒（<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为止。

1. 热插拔风扇和存储系统：由于与这些应用相关的电机或输出电容较大，在启动过程中可能会出现很大的涌流。然而，在输出端采用可控制和可编程转换率的eFuse有助于减少大浪涌电流，从而保护系统。特别是对于风扇来说，有和没有eFuse的运行对浪涌电流有很大的影响。有eFuse，浪涌电流大大降低，从而保护下游电路。

1. 对电源的过压保护：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，这些电路的耐压可能没那么高。 有利的是，eFuse内置过压保护功能，可将器件的输出钳位到一定的安全电压水平，即使输入电压远高于工作电压。 因此保护了下游电路免受过压应力的影响。 在许多情况下，受保护的电路耐受非常低的过电压应力。 因此，过压保护不仅要可靠，还要非常快。 对于eFuse，检测和激活内部钳位的时间约<5µs。

安森美半导体开发出从3V到12V的多种eFuse，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，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，并能通过通用输入输出(GPIO)报告故障及禁用输出。在不断减小整体设计尺寸的压力下，DFN10（3mm x 3mm）和DFN10（4mm x 4mm）封装有助于应对挑战和支援紧凑的布板。

总结

由于提高电源使用效率(PUE)比率日增的压力和愿望，数据中心和云服务器的功率密度不断增加，以及安全标准的推行，对过流保护器件的负荷在改变并变得更加复杂。eFuse具备高精度、快速响应时间、高可靠性、故障报告能力和诊断特性，有助于解决云应用、工业、汽车和电信设备过流保护的挑战。