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电子保险丝(eFuse)应对云应用的过流保护挑战

2020-03-31 15:15 来源:电源网编译 编辑:咩咩

如今,新的、复杂的商业模式正在采用基于云的平台,以提高效率、减少资本支出(CAPEX)和运营支出(OPEX),从而消除对内部数据中心的需求。云存储和基于云的服务的采用代表了一个真正的大趋势,不仅在大型组织中越来越受欢迎,而且在中小型企业(SMB)中也越来越受欢迎,在过去几年中,这些企业的接受度显著提高。对于大多数组织来说,这一趋势将继续下去,只有少数组织由于性能、可靠性或网络和数据安全的原因需要保留内部数据中心。

到2022年,云存储市场规模预计将以23.7%的复合年增长率增长,并将达到8891亿美元。据估计,数据中心和基于云的存储消耗了当今总能源的3%,随着对云存储和数据中心的需求以如此快的速度增长,预计短期内能源需求将显著增加。考虑到能源使用对环境的影响以及节省数百万美元运营成本的潜力,数据中心的设计人员面临着提高能源效率的挑战,他们需要采用先进的电力分配和管理解决方案,同时保持或减少外形因素。在这一部门,即使是效率上最微小的部分百分比增长也可以等于有价值的、大量的能源和费用节省。

一个重要的目标是降低电力使用效率(PUE)的比率。为了实现这一点,需要技术来达到更高的效率、准确性和可靠性。这适用于配电系统(PDU),母线槽,以及不间断电源(UPS)和保护它们的电路。

由于数据中心和基于云的系统的功率密度不断增加,对过流保护的要求比以往任何时候都更具挑战性,并已成为所有保护考虑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)和快速响应时间与高级诊断的需求正变得越来越普遍。传统的熔断器无法支持这些需求,因为它们响应缓慢,并且缺乏诊断(或错误报告)。

通过将eFuse的规格和性能与等效的传统熔断器(如熔断熔断器和聚合的正温度系数(PPTC)可重置熔断器)进行比较,可以看出eFuse具有非常低的响应时间和浪涌电流控制,在短路时可大大减少电流尖峰发生电路事件。

电子保险丝(eFuse)应对云应用的过流保护挑战

图1. eFuse与传统保险丝的比较

由于这些原因,并且在过去几年中,只要可行,新技术的出现,设计人员就试图用热插拔控制器加外部FET或eFuse代替传统的保险丝。 eFuse包括具有集成控制器的功率MOSFET和众多内置保护功能,包括过压,过电流,电池短路和热保护,以及诊断功能,例如电源良好,电流监控和故障/启用。另一方面,热插拔控制器使用外部FET而不是集成FET,通常用于更高电流的应用。

电子保险丝(eFuse)应对云应用的过流保护挑战

图2. eFuse的功能

两种技术之间的主要区别在于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,热插拔控制器具有通过按比例放大主MOSFET来按比例放大电流的能力,在超过100A的高电流应用中仍将流行。但是,eFuse的连续载流能力从1A到50A(取决于Rds(on),封装和边界条件),有望在服务器和云存储应用中得到普及。

电子保险丝(eFuse)应对云应用的过流保护挑战

图3. eFuse和热插拔控制器

·始终在SOA中操作

·实时热反馈

·电流可以通过并联引线来放大

·可以节省板空间

·成本效益

·难以保证SOA

·高级功能和诊断

·电流可以用不同的场效应晶体管来测量

·严格的电流限制公差

·更高的价格

eFuses目前被用于各种云应用程序,包括用作存储设备的企业级hdd和ssd、存储系统中的背板保护、服务器和热插拔风扇。每个应用程序都提出了不同的挑战。驱动感应负载和电容负载时产生的电应力,热插拔和短路产生的应力,使得在安全操作区域(SOA)内很难保证运行,同时实现功能安全,同时也满足严格的能效要求。以下是一些主要的应用和相关的挑战:

电子保险丝(eFuse)应对云应用的过流保护挑战

图4. 云应用程序中的电子保险丝

适用于所有应用的快速,准确的过流保护:传统解决方案(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,具体取决于短路类型事件。同时,大多数eFuse都基于编程的电流极限值在几微秒(<5µs)内对短路事件做出响应,并将电流保持在编程值,直到芯片温度超过热关断阈值为止。

热插拔风扇和存储系统:

由于与这些应用相关的电动机或较大的输出电容器,因此在启动过程中会产生较大的浪涌电流。但是,在输出上具有可控制的可编程压摆率的eFuse有助于减少大的浪涌电流,从而保护了系统。专门针对风扇,使用和不使用eFuse的操作都会对浪涌电流产生巨大影响。 eFuse的浪涌电流大大降低,从而保护了下游电路。

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会承受过压应力,因此可能无法承受如此高的电压。幸运的是,eFuse具有内置的过压保护功能,即使输入电压远高于工作电压,该功能也可以将设备的输出钳位到一定的安全电压水平。因此保护了下游电路免受过压应力的影响。在许多情况下,受保护的电路对过电压应力的耐受性非常低。结果,过电压保护不仅需要可靠,而且非常快。对于eFuse,检测和激活内部钳位的时间约为<5µs。

安森美半导体已经开发了范围从3V到12V的多种电子保险丝,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,它们分别支持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,并且还具有报告故障的能力禁用通过GPIO的输出。 DFN10(3mm x 3mm)和DFN10(4mm x 4mm)封装具有降低整体设计尺寸的不懈压力,有助于应对挑战并支持紧凑的电路板布局。

总结

由于压力越来越大,并希望提高电源使用效率(PUE)比率,数据中心和云服务器的电源密度增加,以及采用安全标准,过电流保护设备的负担正在改变,并且变得越来越复杂。eFuse的高精度,快速响应时间,可靠性,故障报告功能和诊断功能有助于应对过流保护方面的挑战,不仅适用于云应用,还适用于工业,汽车和电信设备。

本文编译自powerelectronicsnews。

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