如今，新的復(fù)雜業(yè)務(wù)模型正在采用基于云的平臺，通過消除對內(nèi)部數(shù)據(jù)中心的需求來提高效率、降低資本支出 （CAPEX） 和運(yùn)營支出 （OPEX）。云存儲和基于云的服務(wù)的采用代表了真正的大趨勢，不僅在大型組織中越來越受歡迎，而且在過去幾年中采用率顯著增加的中小型企業(yè) （SMB） 中也越來越受歡迎。 對于大多數(shù)組織而言，這種趨勢將持續(xù)下去，但有一些組織例外，即出于性能、可靠性或網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)安全原因而需要保留內(nèi)部數(shù)據(jù)中心的組織。

到 2022 年，云存儲市場規(guī)模預(yù)計(jì)將以 23.7% 的復(fù)合年增長率增長，并將達(dá)到 $88.91B。據(jù)估計(jì)，數(shù)據(jù)中心和基于云的存儲消耗了當(dāng)今產(chǎn)生的總能源的 3% 左右，并且隨著對云存儲和數(shù)據(jù)中心的需求以如此快速的速度增長，預(yù)計(jì)能源需求將在近學(xué)期。由于能源使用對環(huán)境的影響以及節(jié)省數(shù)百萬美元運(yùn)營成本的潛力，數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)人員面臨著通過采用先進(jìn)的配電和管理解決方案來提高能源效率的挑戰(zhàn)，同時(shí)保持或減少外形尺寸。在該領(lǐng)域，即使效率的最小部分百分比提高也可以等同于寶貴的大量能源和成本節(jié)約。

一個(gè)重要的目標(biāo)是降低電源使用效率 （PUE） 比率。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要技術(shù)來實(shí)現(xiàn)更高的效率、準(zhǔn)確性和可靠性。這適用于配電系統(tǒng) （PDU）、母線槽以及不間斷電源 （UPS） 以及用于保護(hù)它們的電路。

由于數(shù)據(jù)中心和基于云的系統(tǒng)的功率密度不斷增加，對過流保護(hù)的要求比以往任何時(shí)候都更具挑戰(zhàn)性，并已成為所有保護(hù)考慮因素中最關(guān)鍵的要素之一。對更高的準(zhǔn)確性、可靠性、安全性（例如，滿足 IEC 62368 標(biāo)準(zhǔn)）和具有高級診斷功能的快速響應(yīng)時(shí)間的需求正變得越來越普遍。傳統(tǒng)熔斷器由于反應(yīng)遲鈍以及缺乏診斷或故障報(bào)告而無法滿足這些要求。

eFuses 的規(guī)格和性能與等效的傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲（如熔斷器和聚合正溫度系數(shù) （PPTC） 自恢復(fù)保險(xiǎn)絲）的規(guī)格和性能的比較表明，eFuses 具有非常低的響應(yīng)時(shí)間和浪涌電流控制，可大大降低短路時(shí)的電流尖峰電路事件發(fā)生。

圖 1. eFuse 與傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲的比較

由于這些原因以及過去幾年新技術(shù)的出現(xiàn)，在可行的情況下，設(shè)計(jì)人員一直在尋求用熱插拔控制器和外部 FET 或 eFuse 替代傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲。eFuse 包含一個(gè)帶有集成控制器的功率 MOSFET 和許多內(nèi)置保護(hù)功能，包括過壓、過流-電池短路和熱保護(hù)，以及診斷功能，例如電源良好、電流監(jiān)控和故障/啟用。另一方面，熱插拔控制器使用外部 FET 而不是集成的，通常用于更高電流的應(yīng)用。

圖 2. eFuse 的特性

兩種技術(shù)之間的主要區(qū)別在于 eFuse 能夠?qū)崟r(shí)跟蹤內(nèi)置 MOSFET 管芯溫度和電流，并非常迅速地采取糾正措施。盡管如此，能夠通過放大主 MOSFET 來放大電流的熱插拔控制器在超過 100A 的高電流應(yīng)用中仍然很受歡迎。然而，具有從小于 1A 到 50A（取決于 Rds（on）、封裝以及邊界條件）的持續(xù)載流能力的 eFuse 有望在服務(wù)器和云存儲應(yīng)用中獲得普及。

圖 3. eFuse 和熱插拔控制器

始終在 SOA 中運(yùn)行

實(shí)時(shí)熱反饋

電流可以通過并聯(lián) eFuse 來放大

節(jié)省電路板空間

成本效益

難以保證 SOA

高級功能和診斷

電流可以使用不同的 FET 進(jìn)行縮放

對電流限制的嚴(yán)格容忍

更高的價(jià)格

eFuse 目前用于各種云應(yīng)用，包括用作存儲設(shè)備的企業(yè) HDD 和 SSD、存儲系統(tǒng)中的背板保護(hù)、服務(wù)器和熱插拔風(fēng)扇。每個(gè)應(yīng)用程序都會帶來不同的挑戰(zhàn)。驅(qū)動感性和容性負(fù)載時(shí)產(chǎn)生的電應(yīng)力、熱插拔和短路引起的應(yīng)力使得難以保證在安全工作區(qū) （SOA） 內(nèi)運(yùn)行，同時(shí)實(shí)現(xiàn)功能安全，同時(shí)滿足嚴(yán)格的能效要求。一些關(guān)鍵應(yīng)用和相關(guān)挑戰(zhàn)如下：

圖 4. 云應(yīng)用程序中的 eFuse

適用于所有應(yīng)用的快速、準(zhǔn)確的過流保護(hù)：傳統(tǒng)解決方案，如熔斷器和 PPTC 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，具體取決于短路類型事件。與此同時(shí)，大多數(shù) eFuse 會根據(jù)編程的電流限值在幾微秒 （《5μs） 內(nèi)響應(yīng)短路事件，并將電流保持在編程值，直到芯片溫度超過熱關(guān)斷閾值。

熱插拔風(fēng)扇和存儲系統(tǒng)：

由于與這些應(yīng)用相關(guān)的電機(jī)或大輸出電容器，在啟動期間可能會出現(xiàn)大的浪涌電流。然而，在輸出端具有可控和可編程壓擺率的電子保險(xiǎn)絲有助于減少大浪涌電流，從而保護(hù)系統(tǒng)。特別是對于風(fēng)扇，使用和不使用 eFuse 的操作對涌入電流有巨大的影響。使用 eFuse 可顯著降低浪涌電流，從而保護(hù)下游電路。

電源過壓保護(hù)：

有可能由于電源故障或連接到過流保護(hù)輸入端的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器故障，所有下游電路都會經(jīng)歷過壓應(yīng)力，可能不會達(dá)到如此高的額定值電壓。幸運(yùn)的是，eFuse 具有內(nèi)置的過壓保護(hù)功能，即使輸入電壓遠(yuǎn)高于工作電壓，它也能將設(shè)備的輸出鉗位到某個(gè)安全電壓水平。從而保護(hù)下游電路免受過壓應(yīng)力的影響。在許多情況下，被保護(hù)的電路對過壓應(yīng)力的耐受性非常低。因此，過壓保護(hù)不僅要可靠，而且要非?？?。對于 eFuse，檢測和激活內(nèi)部鉗位的時(shí)間可以在 《5μs 的數(shù)量級。

安森美半導(dǎo)體開發(fā)了范圍從 3V 到 12V 的各種電子保險(xiǎn)絲，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，它們分別支持 4A、8A、10A 和 12A，適用于需要過流、過溫、過壓和浪涌電流保護(hù)的應(yīng)用，以及報(bào)告故障的能力因?yàn)橥ㄟ^ GPIO 禁用輸出。DFN10 （3mm x 3mm） 和 DFN10 （4mm x 4mm） 封裝在不斷減少整體設(shè)計(jì)外形尺寸的壓力下有助于應(yīng)對挑戰(zhàn)并支持緊湊的電路板布局。

概括

由于壓力的增加和提高電源使用效率 （PUE） 比率的愿望、數(shù)據(jù)中心和云服務(wù)器功率密度的增加以及安全標(biāo)準(zhǔn)的采用，過流保護(hù)設(shè)備的負(fù)擔(dān)正在發(fā)生變化并變得更加復(fù)雜。 電子保險(xiǎn)絲具有高精度、快速響應(yīng)時(shí)間、可靠性、故障報(bào)告功能和診斷功能，有助于解決過流保護(hù)方面的挑戰(zhàn)，不僅適用于云應(yīng)用，還適用于工業(yè)、汽車和電信設(shè)備。

作者：Pramit Nandy ，Sudhama Shastri

審核編輯：郭婷