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高效、可靠和緊湊的eFuse優化服務器和數據中心電源設計

2019-09-06 13:55:03 安森美

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在設計服務器和數據中心電源時，設計人員除了需要考慮提升能效和功率密度，還要確保盡可能高的安全性和可靠性，這帶來一系列挑戰，如無安全工作區(SOA)的顧慮、和診斷及響應等功能安全等等。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電源范圍和即將推出的24 V、48 V eFuse，幫助設計人員解決這些挑戰。這些eFuse內置實時診斷功能、精密控制和多重保護特性，響應快，性能和可靠性優于競爭對手。

eFuse簡介、特性及目標應用

eFuse集成過流、過熱及過壓保護，提供電流檢測、故障報告、輸出開關控制、反向電流保護、對地短路保護、電池短路保護、可復位，用于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布線和下游器件。

eFuse對比傳統熔絲和PTC自恢復保險絲

通常有熔斷熔絲、正溫系數(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，采用熔斷熔絲和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，而采用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后必須更換。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自恢復保險絲變熱并從低阻狀態轉向高阻狀態，從而提供保護功能，當故障排除后，PTC自恢復保險絲冷卻并復位為低阻狀態。與熔斷熔絲和PTC自恢復保險絲不同，eFuse不是完全基于變熱來限流，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，后在過熱時關斷內部開關。與傳統熔絲相比，eFuse有以下顯著的優勢：

過溫運行時的參數變化最小
故障后不會毀壞
可調整的電流限制
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它電源軌
軟啟動以限制浪涌電流
電壓鉗位，防止負載受電壓尖峰影響
閂鎖或自動復位選擇，若負載恢復則一切將復位，無需重啟電源
反向電流阻斷

表1列出了eFuse相較聚合物正溫系數(PPTC)自恢復保險絲的優勢。

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，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，提供實時熱反饋，可通過并聯eFuse增加電流限值，節省占板空間，并提供更高性價比。

eFuse易于并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于eFuse規定的電流負荷，我們可通過并聯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)引腳并聯在一起，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。

圖：12 V eFuse并聯演示

安森美半導體高效、可靠、緊湊的eFuse陣容

在3 V至5 V電源范圍，安森美半導體的eFuse主要有NIS5135、NIS5452并即將推出NIS2205、NIS2x5x、NIS3x5x、NIS6452、NIS6150、NIS6350、NIS800x，導通阻抗從33 m?至200 m?，電流從1 A至5 A。其中，NIS6452、NIS6150、NIS6350集成反向電流阻斷(RCP)特性，NIS6150、NIS6350還通過汽車級AEQ-Q100認證。值得一提的是，NIS6x50還集成新的特性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并即將推出NIS5420、NIS2402和NIS3220，導通阻抗從14 m?至100 m?，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。

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集成過壓保護，可提供快速響應，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后的輸出導通，以使輸入電壓穩定，相關的應用注釋可參見AND9672/D。

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并可通過增添MOSFET擴展電流能力，容性負載的有源勵磁涌流限制，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都經重復短路可靠性測試(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100萬個周期，結果都無功能問題且導通阻抗或其它參數都無變化。與競爭對手相比，安森美半導體的eFuse的浪涌性能都更出色。

總結

服務器和數據中心電源的安全性和可靠性至關重要。eFuse集成過流、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 電源范圍以及即將推出的24V和48 V大電流eFuse，內置實時診斷功能、精密控制和多重保護特性，確保始終工作在SOA，響應快，經重復短路可靠性測試，防止電路免受高浪涌電流、電壓尖峰和熱耗散的損害，性能和可靠性優于競爭對手，例如采用獨特的3態使能/故障引腳，可并聯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。

關鍵詞：電源設計安森美