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eFuse应对云应用过流保护的挑战
前言：
安森美半导体产品营销经理Pramit Nandy
安森美半导体产品营销经理Sudhama Shastri
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
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
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
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
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。
2. 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。
3. 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。
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。
关于安森美半导体
安森美半导体(ON Semiconductor，美国纳斯达克上市代号：ON)致力于推动高能效电子的创新，使客户能够减少全球的能源使用。安森美半导体领先于供应基于半导体的方案，提供全面的高能效电源管理、模拟、传感器、逻辑、时序、互通互联、分立、系统单芯片(SoC)及定制器件阵容。公司的产品帮助工程师解决他们在汽车、通信、计算机、消费电子、工业、医疗、航空及国防应用的独特设计挑战。公司运营敏锐、可靠、世界一流的供应链及品质项目，一套强有力的守法和道德规范计划，及在北美、欧洲和亚太地区之关键市场运营包括制造厂、销售办事处及设计中心在内的业务网络。更多信息请访问http://www.onsemi.cn。
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