如今，新的復雜業務模型正在采用基于云的平臺，通過消除對內部數據中心的需求來提高效率、降低資本支出 （CAPEX） 和運營支出 （OPEX）。云存儲和基于云的服務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 （SMB） 中也越來越受歡迎。 對于大多數組織而言，這種趨勢將持續下去，但有一些組織例外，即出于性能、可靠性或網絡和數據安全原因而需要保留內部數據中心的組織。

到 2022 年，云存儲市場規模預計將以 23.7% 的復合年增長率增長，并將達到 $88.91B。據估計，數據中心和基于云的存儲消耗了當今產生的總能源的 3% 左右，并且隨著對云存儲和數據中心的需求以如此快速的速度增長，預計能源需求將在近學期。由于能源使用對環境的影響以及節省數百萬美元運營成本的潛力，數據中心設計人員面臨著通過采用先進的配電和管理解決方案來提高能源效率的挑戰，同時保持或減少外形尺寸。在該領域，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約。

一個重要的目標是降低電源使用效率 （PUE） 比率。為了實現這一目標，需要技術來實現更高的效率、準確性和可靠性。這適用于配電系統 （PDU）、母線槽以及不間斷電源 （UPS） 以及用于保護它們的電路。

由于數據中心和基于云的系統的功率密度不斷增加，對過流保護的要求比以往任何時候都更具挑戰性，并已成為所有保護考慮因素中最關鍵的要素之一。對更高的準確性、可靠性、安全性（例如，滿足 IEC 62368 標準）和具有高級診斷功能的快速響應時間的需求正變得越來越普遍。傳統熔斷器由于反應遲鈍以及缺乏診斷或故障報告而無法滿足這些要求。

eFuses 的規格和性能與等效的傳統保險絲（如熔斷器和聚合正溫度系數 （PPTC） 自恢復保險絲）的規格和性能的比較表明，eFuses 具有非常低的響應時間和浪涌電流控制，可大大降低短路時的電流尖峰電路事件發生。

圖 1. eFuse 與傳統保險絲的比較

由于這些原因以及過去幾年新技術的出現，在可行的情況下，設計人員一直在尋求用熱插拔控制器和外部 FET 或 eFuse 替代傳統保險絲。eFuse 包含一個帶有集成控制器的功率 MOSFET 和許多內置保護功能，包括過壓、過流-電池短路和熱保護，以及診斷功能，例如電源良好、電流監控和故障/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用。

圖 2. eFuse 的特性

兩種技術之間的主要區別在于 eFuse 能夠實時跟蹤內置 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）的持續載流能力的 eFuse 有望在服務器和云存儲應用中獲得普及。

圖 3. eFuse 和熱插拔控制器

始終在 SOA 中運行

實時熱反饋

電流可以通過并聯 eFuse 來放大

節省電路板空間

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 進行縮放

對電流限制的嚴格容忍

更高的價格

eFuse 目前用于各種云應用，包括用作存儲設備的企業 HDD 和 SSD、存儲系統中的背板保護、服務器和熱插拔風扇。每個應用程序都會帶來不同的挑戰。驅動感性和容性負載時產生的電應力、熱插拔和短路引起的應力使得難以保證在安全工作區 （SOA） 內運行，同時實現功能安全，同時滿足嚴格的能效要求。一些關鍵應用和相關挑戰如下：

圖 4. 云應用程序中的 eFuse

適用于所有應用的快速、準確的過流保護：傳統解決方案，如熔斷器和 PPTC 的耐受性非常差，響應時間和跳閘時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，大多數 eFuse 會根據編程的電流限值在幾微秒 （《5μs） 內響應短路事件，并將電流保持在編程值，直到芯片溫度超過熱關斷閾值。

熱插拔風扇和存儲系統：

由于與這些應用相關的電機或大輸出電容器，在啟動期間可能會出現大的浪涌電流。然而，在輸出端具有可控和可編程壓擺率的電子保險絲有助于減少大浪涌電流，從而保護系統。特別是對于風扇，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，從而保護下游電路。

電源過壓保護：

有可能由于電源故障或連接到過流保護輸入端的 DC-DC 轉換器故障，所有下游電路都會經歷過壓應力，可能不會達到如此高的額定值電壓。幸運的是，eFuse 具有內置的過壓保護功能，即使輸入電壓遠高于工作電壓，它也能將設備的輸出鉗位到某個安全電壓水平。從而保護下游電路免受過壓應力的影響。在許多情況下，被保護的電路對過壓應力的耐受性非常低。因此，過壓保護不僅要可靠，而且要非常快。對于 eFuse，檢測和激活內部鉗位的時間可以在 《5μs 的數量級。

安森美半導體開發了范圍從 3V 到 12V 的各種電子保險絲，支持從 1A 到 12A 的連續電流。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的應用，以及報告故障的能力因為通過 GPIO 禁用輸出。DFN10 （3mm x 3mm） 和 DFN10 （4mm x 4mm） 封裝在不斷減少整體設計外形尺寸的壓力下有助于應對挑戰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、數據中心和云服務器功率密度的增加以及安全標準的采用，過流保護設備的負擔正在發生變化并變得更加復雜。 電子保險絲具有高精度、快速響應時間、可靠性、故障報告功能和診斷功能，有助于解決過流保護方面的挑戰，不僅適用于云應用，還適用于工業、汽車和電信設備。

作者：Pramit Nandy ，Sudhama Shastri

審核編輯：郭婷