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高效、可靠和緊湊的eFuse最佳化伺服器和資料中心電源設計

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Shangs54139699 發表於 2019-9-27 14:52 | 顯示全部樓層 |閱讀模式


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。


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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。

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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。

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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。

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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。


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