高效、可靠和緊湊的eFuse最佳化伺服器和資料中心電源設計

技術文章

高效、可靠和緊湊的eFuse最佳化伺服器和資料中心電源設計

在設計伺服器和資料中心電源時，設計人員除了需要考慮提升能效和功率密度，還要確保盡可能地絕佳安全性和可靠性，這帶來一系列挑戰，如無安全工作區(SOA)的疑慮、和診斷及回應等功能安全等等。安森美半導體提供高效、可靠和緊湊的eFuse方案陣容，包括3 V至12 V電源範圍和即將推出的24 V、48 V eFuse，幫助設計人員解決這些挑戰。這些eFuse內置即時診斷功能、精密控制和多重保護特性，回應快，性能和可靠性優於競爭對手。

eFuse簡介、特性及目標應用

eFuse整合過流、過熱及過壓保護，提供電流檢測、故障報告、輸出切換控制、反向電流保護、對地短路保護、電池短路保護、可重置，用於任何熱插拔應用和需要限制過沖電流的系統，以防止損壞連接器、PCB佈線和下游器件。

eFuse對比傳統熔絲和PTC自恢復保險絲

通常有熔斷熔絲、正溫係數(PTC)自恢復保險絲、熱插拔控制器、eFuse等限流保護方案。以1個600 W、20 A的直流電源為例，採用熔斷熔絲和PTC自恢復保險絲的方案的電流尖峰可分別高達80 A和58 A，而採用eFuse的方案的電流尖峰僅7 A。

熔斷熔絲是一次性的，在一次高電流事件熔斷後必須更換。PTC自恢復保險絲在正常工作時為低阻狀態，當短路發生時，PTC自恢復保險絲變熱並從低阻狀態轉向高阻狀態，從而提供保護功能，當故障排除後，PTC自恢復保險絲冷卻並重置為低阻狀態。與熔斷熔絲和PTC自恢復保險絲不同，eFuse不是完全根據變熱來限流，而是通過測量電流，若電流超過規定限值，則限制電流為預設值後，在過熱時關斷內部切換。與傳統熔絲相比，eFuse有以下顯著的優勢：

·       過熱運行時的參數變化最小

·      故障後不會毀壞

·      可調整電流限制

·       使能引腳導通或關斷器件

·       故障引腳報告已發生的故障以控制邏輯電路或其他電源軌

·       軟啟動以限制衝擊電流

·       電壓鉗位，防止負載受電壓尖峰影響

·       閂鎖或自動重置選擇，若負載恢復則一切將重置，無需重啟電源

·      反向電流阻斷

表1列出了eFuse相較聚合物正溫係數(PPTC)自恢復保險絲的優勢。

file:///C:/Users/hsin1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image002.png

表1：eFuse對比PPTC自恢復保險絲

eFuse對比熱插拔控制器

熱插拔控制器雖提供先進的特性和診斷能力，可通過使用不同的FET增加電流限值，具有嚴格的容限電流，但難以保證在SOA運行，且價格更高。 eFuse可確保始終在SOA內運行，提供即時熱回饋，可通過並聯eFuse增加電流限值，節省占板空間，並提供更高性價比。

eFuse易於並聯以增加輸出電流能力

在實際應用中，系統的工作電流可能高於eFuse規定的電流負荷，我們可通過並聯eFuse來增加輸出電流能力。在設計中，我們將eFuse的使能(enable)引腳和故障(fault)引腳並聯在一起，安森美半導體的eFuse具有獨特的三態使能/故障引腳，高電平代表正常運行，中電平代表熱關斷模式，低電平代表輸出完全關斷。

file:///C:/Users/hsin1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image004.png

圖：12 V eFuse並聯演示

安森美半導體高效、可靠、緊湊的eFuse陣容

在3 V至5 V電源範圍，安森美半導體的eFuse主要有NIS5135、NIS5452並即將推出NIS2205、NIS2x5x、NIS3x5x、NIS6452、NIS6150、NIS6350、NIS800x，導通電阻從33 mΩ至200 mΩ，電流從1 A至5 A。其中，NIS6452、NIS6150、NIS6350整合反向電流阻斷(RCP)特性，NIS6150、NIS6350還通過汽車級AEQ-Q100認證。值得一提的是，NIS6x50還整合新的特性IMON，通過在IMON引腳和GND之間連接1個電阻，以將IMON電流轉換為對地參考電壓，從而實現電流監控。

針對12V電源，安森美半導體主要提供NIS5020/NIS5021、NIS5820、NIS5232、NIS2x2x並即將推出NIS5420、NIS2402和NIS3220，導通電阻從14 mΩ至100 mΩ，電流從2.4 A至12 A。其中，NIS5020沒有IMON引腳，但可通過檢測Rlim 電壓測量負載電流，從而實現系統級增強，相關的應用注釋可參見AND9685/D。

file:///C:/Users/hsin1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image006.png

圖：NIS5020通過檢測Rlim 電壓測量負載電流

在熱插拔時，電源輸入級通常易遭受電壓尖峰和瞬態，安森美半導體的eFuse整合過壓保護，可提供快速回應，限制輸出電壓，從而不易受電壓瞬態的影響。有些應用要求延遲熱插入後的輸出導通，以使輸入電壓穩定，相關的應用注釋可參見AND9672/D。

file:///C:/Users/hsin1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image008.png

圖：12 V eFuse熱插拔啟動延遲實現系統級增強

此外，安森美半導體即將推出24 V NIS6124和48 V大電流eFuse，NIS6124針對24至36 V 提供40 V耐壓，48 V系列的特性有：高邊eFuse 過流關斷，48V 應用達80V 峰值輸入電壓，直流能力超過120 A並可通過增添MOSFET擴展電流能力，容性負載的有源勵磁衝擊電流限制，V2自動重試功能。48 V eFuse可立即測試，可根據需求簡化或修改PCB，可用作參考設計。

可靠性測試

安森美半導體的eFuse都經重複短路可靠性測試(AEC-Q100-012)。試驗在25°C和-40°C條件下進行，以提供最高熱偏移和應力，運行10萬至100萬個週期，結果都無功能問題且導通電阻或其他參數都無變化。與競爭對手相比，安森美半導體的eFuse的突波性能都更出色。

總結

伺服器和資料中心電源的安全性和可靠性至關重要。eFuse整合過流、過熱及過壓保護，且提供診斷和控制功能，比傳統熔絲、PTC自恢復保險絲及熱插拔控制器都更有優勢，是一種經濟高效的替代方案。安森美半導體提供高效、可靠和緊湊的eFuse方案陣容，包括3 V至12V 電源範圍以及即將推出的24V和48 V大電流eFuse，內置即時診斷功能、精密控制和多重保護特性，確保始終工作在SOA，回應快，經重複短路可靠性測試，防止電路免受高衝擊電流、電壓尖峰和熱耗散的損害，性能和可靠性優於競爭對手，例如採用獨特的3態使能/故障引腳，可並聯eFuse以增強電流能力，IMON新特性可實現輸出電流監控，熱插拔啟動延遲實現系統級增強等。