eFuse 应对云应用过流保护的挑战

2020-04-16 09:37

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

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。

Hot Swap Controller:热插拔控制器 
-总是在安全工作区(SOA)运行      -难以保证 SOA
-实时热反馈      -先进的特性和诊断
-可通过并联 eFuses 提高电流能力      -通过使用不同的 FET 提高电流能力
-节省占板空间      -严格的容限电流
-性价比高      -价格更高

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       Server Racks:服务器机架
Internet Connectivity:互联网联接      Storage Racks:存储机架
Data Management:数据管理      Backplane:背板
Colocation Inter Connectivity:托管间联接      Fast Switch:快速开关
Storage Management:存储管理      Storage System (NAS):存储系统 (网络附加存储 NAS)
Main Fuse:主保险丝      Aux eFuse: 辅助 eFuse  Fans:风扇    
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。

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:)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。
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