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eFuse应对云应用过流保护的挑战

2019-12-05 09:24:24 Pramit Nandy,产品营销经理;Sudhama Shastri,产品营销总监,安森美半导体 阅读:
eFuse现已在各种云应用中使用,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。每种应用都提出了不同的挑战。驱动电感性和电容性负载时会产生电应力,热插拔和短路也会产生应力,因此很难保证系统工作在安全工作区(SOA),并在满足严格能效要求的同时实现功能安全。

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来提高效率、减少资本支出(CAPEX)和运营支出(OPEX)。云存储和云服务的采用代表了一个真正的大趋势,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,大多数企业会持续这种趋势。ftxednc

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,目前数据中心和云存储会消耗总发电量的3%,而随着业界对云存储和数据中心的需求以这样的速度快速增长,预计能源需求在短期内会显著增加。由于能源使用对环境的影响,以及有望节省数百万美元的运营成本,数据中心设计人员受到挑战,需要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尺寸。在这方面,即使实现很小百分点的能效改善,也可以节省大量宝贵的能源和成本。ftxednc

一个重要目标是降低电源使用效率(PUE)比率。要实现这个目标,就需要使用技术来获得更高的能效、准确性和可靠性。这涉及到配电系统(PDU)、母线槽、不间断电源(UPS)及其保护电路。ftxednc

由于数据中心和云存储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,并且已成为所有的保护考虑因素当中最关键的因素之一。业界越来越需要提高准确性、可靠性、安全性(例如满足IEC 62368标准)和加快响应速度以及先进诊断。传统的保险丝由于响应迟缓、缺乏诊断或故障报告而不能满足这些要求。ftxednc

将电子保险丝(eFuse)的规格和性能与同等传统保险丝——例如熔断式保险丝和聚合物正温度系数(PPTC)可复位保险丝——的进行比较,可知eFuse具有非常短的响应时间和非常好的浪涌电流控制,在发生短路时可大幅减小电流尖峰。ftxednc

Figure1.jpg图1:eFuse与传统保险丝对比。ftxednc

由于上述原因和近年来新技术的出现,只要情况允许,设计人员就会试图将传统的保险丝替换成热插拔控制器加外部FET,或者eFuse。eFuse包含一个功率MOSFET和一个集成控制器,并具有许多内置保护功能,例如过压、过流、电池短路和热保护,以及诊断功能,例如电源正常(power good)、电流监控和故障/使能。另一方面,热插拔控制器是使用外部FET而不是集成式FET,并且通常用于较大电流的应用。ftxednc

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图2:eFuse的功能。ftxednc

两种技术的主要区别在于,eFuse能够实时跟踪内置MOSFET裸片的温度和电流,并迅速采取纠正措施;热插拔控制器可以通过增大主MOSFET来增大电流,因此在超过100A的大电流应用中仍将受到欢迎。然而,eFuse可承受从1A以下到50A的连续电流(取决于导通RDS(ON)、封装和边界条件),因此有望在服务器和云存储应用中普及。ftxednc

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图3:eFuse和热插拔控制器。ftxednc

eFuse现已在各种云应用中有所使用,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。每种应用都提出了不同的挑战。驱动电感性和电容性负载时会产生电应力,热插拔和短路也会产生应力,因此很难保证系统工作在安全工作区(SOA),并在满足严格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。ftxednc

Figure4.jpg图4:eFuse在云应用中的使用。ftxednc

1.面向所有应用的快速、准确的过流保护:熔断式保险丝和PPTC等传统解决方案的耐受性非常差,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都会根据所编程的电流限值,在几微秒(<5µs)内对短路事件做出响应,并将电流保持在编程值处,直到裸片温度超过热关断阈值为止。ftxednc

2.可热插拔风扇和存储系统:由于这些应用涉及到电机或具有大输出电容器,它们在启动时可能会出现大浪涌电流。然而,在输出端采用转换速率可控可编程的eFuse,有助于减少大浪涌电流,而使系统受到保护。特别是对于风扇来说,是否有采用eFuse,对浪涌电流有很大的影响。有eFuse的话,浪涌电流可大幅降低,从而保护下游电路。ftxednc

3.电源过压保护:过流保护输入端所连的电源或DC-DC转换器有可能发生故障,而使所有下游电路遭受过压应力,但其耐压水平可能没那么高。幸运的是,eFuse内置过压保护功能,即使输入电压远高于工作电压,它也可将器件的输出钳位到一定的安全电压水平。这样就可以保护下游电路免受过压应力的影响。在许多情况下,受保护的电路可耐受的过电压应力非常低。因此,过压保护不仅要可靠,还要非常快。对于eFuse来说,检测并激活内部钳位的时间约<5µs。ftxednc

安森美半导体已开发出多种eFuse,范围从3V到12V不等,并支持从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,可用于需要过流、过热、过压和浪涌电流保护的应用,并能通过GPIO报告故障以及禁用输出。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并支持紧凑的电路板布局。ftxednc

总结 

由于提高电源使用效率的压力和愿望与日俱增,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,过流保护器件所承受的负担正在改变并变得更加复杂。eFuse具备高精度、快速响应速度、高可靠性、故障报告功能和诊断特性,有助于解决云应用、工业、汽车和电信设备过流保护的挑战。ftxednc

 本文为《电子技术设计》2019年12月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里
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