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電子保險絲(eFuse)應對云應用的過流保護挑戰

2020-03-31 15:15 來源:電源網編譯 編輯:咩咩

如今,新的、復雜的商業模式正在采用基于云的平臺,以提高效率、減少資本支出(CAPEX)和運營支出(OPEX),從而消除對內部數據中心的需求。云存儲和基于云的服務的采用代表了一個真正的大趨勢,不僅在大型組織中越來越受歡迎,而且在中小型企業(SMB)中也越來越受歡迎,在過去幾年中,這些企業的接受度顯著提高。對于大多數組織來說,這一趨勢將繼續下去,只有少數組織由于性能、可靠性或網絡和數據安全的原因需要保留內部數據中心。

到2022年,云存儲市場規模預計將以23.7%的復合年增長率增長,并將達到8891億美元。據估計,數據中心和基于云的存儲消耗了當今總能源的3%,隨著對云存儲和數據中心的需求以如此快的速度增長,預計短期內能源需求將顯著增加。考慮到能源使用對環境的影響以及節省數百萬美元運營成本的潛力,數據中心的設計人員面臨著提高能源效率的挑戰,他們需要采用先進的電力分配和管理解決方案,同時保持或減少外形因素。在這一部門,即使是效率上最微小的部分百分比增長也可以等于有價值的、大量的能源和費用節省。

一個重要的目標是降低電力使用效率(PUE)的比率。為了實現這一點,需要技術來達到更高的效率、準確性和可靠性。這適用于配電系統(PDU),母線槽,以及不間斷電源(UPS)和保護它們的電路。

由于數據中心和基于云的系統的功率密度不斷增加,對過流保護的要求比以往任何時候都更具挑戰性,并已成為所有保護考慮中最關鍵的因素之一。對更高的準確性、可靠性、安全性(例如,滿足IEC 62368標準)和快速響應時間與高級診斷的需求正變得越來越普遍。傳統的熔斷器無法支持這些需求,因為它們響應緩慢,并且缺乏診斷(或錯誤報告)。

通過將eFuse的規格和性能與等效的傳統熔斷器(如熔斷熔斷器和聚合的正溫度系數(PPTC)可重置熔斷器)進行比較,可以看出eFuse具有非常低的響應時間和浪涌電流控制,在短路時可大大減少電流尖峰發生電路事件。

電子保險絲(eFuse)應對云應用的過流保護挑戰

圖1. eFuse與傳統保險絲的比較

由于這些原因,并且在過去幾年中,只要可行,新技術的出現,設計人員就試圖用熱插拔控制器加外部FET或eFuse代替傳統的保險絲。 eFuse包括具有集成控制器的功率MOSFET和眾多內置保護功能,包括過壓,過電流,電池短路和熱保護,以及診斷功能,例如電源良好,電流監控和故障/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用。

電子保險絲(eFuse)應對云應用的過流保護挑戰

圖2. eFuse的功能

兩種技術之間的主要區別在于eFuse能夠實時跟蹤內置MOSFET芯片溫度和電流,并能迅速采取糾正措施。盡管如此,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的高電流應用中仍將流行。但是,eFuse的連續載流能力從1A到50A(取決于Rds(on),封裝和邊界條件),有望在服務器和云存儲應用中得到普及。

電子保險絲(eFuse)應對云應用的過流保護挑戰

圖3. eFuse和熱插拔控制器

·始終在SOA中操作

·實時熱反饋

·電流可以通過并聯引線來放大

·可以節省板空間

·成本效益

·難以保證SOA

·高級功能和診斷

·電流可以用不同的場效應晶體管來測量

·嚴格的電流限制公差

·更高的價格

eFuses目前被用于各種云應用程序,包括用作存儲設備的企業級hdd和ssd、存儲系統中的背板保護、服務器和熱插拔風扇。每個應用程序都提出了不同的挑戰。驅動感應負載和電容負載時產生的電應力,熱插拔和短路產生的應力,使得在安全操作區域(SOA)內很難保證運行,同時實現功能安全,同時也滿足嚴格的能效要求。以下是一些主要的應用和相關的挑戰:

電子保險絲(eFuse)應對云應用的過流保護挑戰

圖4. 云應用程序中的電子保險絲

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

熱插拔風扇和存儲系統:

由于與這些應用相關的電動機或較大的輸出電容器,因此在啟動過程中會產生較大的浪涌電流。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,從而保護了系統。專門針對風扇,使用和不使用eFuse的操作都會對浪涌電流產生巨大影響。 eFuse的浪涌電流大大降低,從而保護了下游電路。

電源的過壓保護:

由于電源故障或連接到過流保護輸入的DC-DC轉換器故障,所有下游電路都可能會承受過壓應力,因此可能無法承受如此高的電壓。幸運的是,eFuse具有內置的過壓保護功能,即使輸入電壓遠高于工作電壓,該功能也可以將設備的輸出鉗位到一定的安全電壓水平。因此保護了下游電路免受過壓應力的影響。在許多情況下,受保護的電路對過電壓應力的耐受性非常低。結果,過電壓保護不僅需要可靠,而且非常快。對于eFuse,檢測和激活內部鉗位的時間約為<5μs。

安森美半導體已經開發了范圍從3V到12V的多種電子保險絲,支持從1A到12A的連續電流。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的應用,并且還具有報告故障的能力禁用通過GPIO的輸出。 DFN10(3mm x 3mm)和DFN10(4mm x 4mm)封裝具有降低整體設計尺寸的不懈壓力,有助于應對挑戰并支持緊湊的電路板布局。

總結

由于壓力越來越大,并希望提高電源使用效率(PUE)比率,數據中心和云服務器的電源密度增加,以及采用安全標準,過電流保護設備的負擔正在改變,并且變得越來越復雜。eFuse的高精度,快速響應時間,可靠性,故障報告功能和診斷功能有助于應對過流保護方面的挑戰,不僅適用于云應用,還適用于工業,汽車和電信設備。

本文編譯自powerelectronicsnews。

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