云存儲市場規(guī)模將以 23.7%的復(fù)合年增長率(CAGR)增長，預(yù)計(jì)到 2022 年將達(dá)到 889.1 億美元。據(jù)估計(jì)，目前數(shù)據(jù)中心和云存儲會消耗總發(fā)電量的 3%，而隨著業(yè)界對云存儲和數(shù)據(jù)中心的需求以這樣的速度快速增長，預(yù)計(jì)能源需求在短期內(nèi)會顯著增加。由于能源使用對環(huán)境的影響，以及有望節(jié)省數(shù)百萬美元的運(yùn)營成本，數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)人員受到挑戰(zhàn)，需要采用先進(jìn)的配電和管理方案來提高能效，同時(shí)保持或減小外形尺寸。在這方面，即使實(shí)現(xiàn)很小百分點(diǎn)的能效改善，也可以節(jié)省大量寶貴的能源和成本。

一個(gè)重要目標(biāo)是降低電源使用效率(PUE)比率。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，就需要使用技術(shù)來獲得更高的能效、準(zhǔn)確性和可靠性。這涉及到配電系統(tǒng)(PDU)、母線槽、不間斷電源(UPS)及其保護(hù)電路。

由于數(shù)據(jù)中心和云存儲系統(tǒng)的功率密度不斷提高，對過流保護(hù)的要求比以往任何時(shí)候都更具挑戰(zhàn)性，并且已成為所有的保護(hù)考慮因素當(dāng)中最關(guān)鍵的因素之一。業(yè)界越來越需要提高準(zhǔn)確性、可靠性、安全性(例如滿足 IEC 62368 標(biāo)準(zhǔn))和加快響應(yīng)速度以及先進(jìn)診斷。傳統(tǒng)的保險(xiǎn)絲由于響應(yīng)遲緩、缺乏診斷或故障報(bào)告而不能滿足這些要求。

將電子保險(xiǎn)絲(eFuse)的規(guī)格和性能與同等傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲——例如熔斷式保險(xiǎn)絲和聚合物正溫度系數(shù)(PPTC)可復(fù)位保險(xiǎn)絲——的進(jìn)行比較，可知 eFuse 具有非常短的響應(yīng)時(shí)間和非常好的浪涌電流控制，在發(fā)生短路時(shí)可大幅減小電流尖峰。

圖 1：eFuse 與傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲對比

由于上述原因和近年來新技術(shù)的出現(xiàn)，只要情況允許，設(shè)計(jì)人員就會試圖將傳統(tǒng)的保險(xiǎn)絲替換成熱插拔控制器加外部 FET，或者 eFuse。eFuse 包含一個(gè)功率 MOSFET 和一個(gè)集成控制器，并具有許多內(nèi)置保護(hù)功能，例如過壓、過流、電池短路和熱保護(hù)，以及診斷功能，例如電源正常(power good)、電流監(jiān)控和故障 / 使能。另一方面，熱插拔控制器是使用外部 FET 而不是集成式 FET，并且通常用于較大電流的應(yīng)用。

圖 2：eFuse 的功能

兩種技術(shù)的主要區(qū)別在于，eFuse 能夠?qū)崟r(shí)跟蹤內(nèi)置 MOSFET 裸片的溫度和電流，并迅速采取糾正措施;熱插拔控制器可以通過增大主 MOSFET 來增大電流，因此在超過 100A 的大電流應(yīng)用中仍將受到歡迎。然而，eFuse 可承受從 1A 以下到 50A 的連續(xù)電流(取決于導(dǎo)通 RDS(ON)、封裝和邊界條件)，因此有望在服務(wù)器和云存儲應(yīng)用中普及。

圖 3：eFuse 和熱插拔控制器

eFuse 現(xiàn)已在各種云應(yīng)用中有所使用，包括用作存儲設(shè)備的企業(yè)硬盤驅(qū)動(dòng)器(HDD)和固態(tài)硬盤(SSD)、存儲系統(tǒng)中的背板保護(hù)、服務(wù)器和熱插拔風(fēng)扇。每種應(yīng)用都提出了不同的挑戰(zhàn)。驅(qū)動(dòng)電感性和電容性負(fù)載時(shí)會產(chǎn)生電應(yīng)力，熱插拔和短路也會產(chǎn)生應(yīng)力，因此很難保證系統(tǒng)工作在安全工作區(qū)(SOA)，并在滿足嚴(yán)格能效要求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)功能安全。一些關(guān)鍵應(yīng)用和相關(guān)挑戰(zhàn)如下。

圖 4：eFuse 在云應(yīng)用中的使用

1. 面向所有應(yīng)用的快速、準(zhǔn)確的過流保護(hù)：熔斷式保險(xiǎn)絲和 PPTC 等傳統(tǒng)解決方案的耐受性非常差，響應(yīng)時(shí)間和跳閘時(shí)間從幾百毫秒到幾秒不等，具體取決于短路事件的類型。同時(shí)，大多數(shù) eFuse 都會根據(jù)所編程的電流限值，在幾微秒(<5µs)內(nèi)對短路事件做出響應(yīng)，并將電流保持在編程值處，直到裸片溫度超過熱關(guān)斷閾值為止。

2. 可熱插拔風(fēng)扇和存儲系統(tǒng)：由于這些應(yīng)用涉及到電機(jī)或具有大輸出電容器，它們在啟動(dòng)時(shí)可能會出現(xiàn)大浪涌電流。然而，在輸出端采用轉(zhuǎn)換速率可控可編程的 eFuse，有助于減少大浪涌電流，而使系統(tǒng)受到保護(hù)。特別是對于風(fēng)扇來說，是否有采用 eFuse，對浪涌電流有很大的影響。有 eFuse 的話，浪涌電流可大幅降低，從而保護(hù)下游電路。

3. 電源過壓保護(hù)：過流保護(hù)輸入端所連的電源或 DC-DC 轉(zhuǎn)換器有可能發(fā)生故障，而使所有下游電路遭受過壓應(yīng)力，但其耐壓水平可能沒那么高。幸運(yùn)的是，eFuse 內(nèi)置過壓保護(hù)功能，即使輸入電壓遠(yuǎn)高于工作電壓，它也可將器件的輸出鉗位到一定的安全電壓水平。這樣就可以保護(hù)下游電路免受過壓應(yīng)力的影響。在許多情況下，受保護(hù)的電路可耐受的過電壓應(yīng)力非常低。因此，過壓保護(hù)不僅要可靠，還要非?？臁τ? eFuse 來說，檢測并激活內(nèi)部鉗位的時(shí)間約<5µs。

安森美半導(dǎo)體已開發(fā)出多種 eFuse，范圍從 3V 到 12V 不等，并支持從 1A 到 12A 的連續(xù)電流。最新的器件是 12V eFuse 系列——NIS5232、NIS5820、NIS5020 和 NIS5021——分別支持 4A、8A、10A 和 12A，可用于需要過流、過熱、過壓和浪涌電流保護(hù)的應(yīng)用，并能通過 GPIO 報(bào)告故障以及禁用輸出。在不斷減小整體設(shè)計(jì)尺寸的壓力下，DFN10(3mm x 3mm)和 DFN10(4mm x 4mm)封裝有助于應(yīng)對挑戰(zhàn)并支持緊湊的電路板布局。

總結(jié)

由于提高電源使用效率的壓力和愿望與日俱增，數(shù)據(jù)中心和云服務(wù)器的功率密度不斷增加，以及安全標(biāo)準(zhǔn)的推行，過流保護(hù)器件所承受的負(fù)擔(dān)正在改變并變得更加復(fù)雜。eFuse 具備高精度、快速響應(yīng)速度、高可靠性、故障報(bào)告功能和診斷特性，有助于解決云應(yīng)用、工業(yè)、汽車和電信設(shè)備過流保護(hù)的挑戰(zhàn)。