高效、可靠和緊湊的eFuse優(yōu)化服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心電源設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心電源時(shí)，設(shè)計(jì)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(lái)一系列挑戰(zhàn)，如無(wú)安全工作區(qū)(SOA)的顧慮、和診斷及響應(yīng)等功能安全等等。安森美半導(dǎo)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(shè)計(jì)人員解決這些挑戰(zhàn)。這些eFuse內(nèi)置實(shí)時(shí)診斷功能、精密控制和多重保護(hù)特性，響應(yīng)快，性能和可靠性?xún)?yōu)于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。  

eFuse簡(jiǎn)介、特性及目標(biāo)應(yīng)用

eFuse集成過(guò)流、過(guò)熱及過(guò)壓保護(hù)，提供電流檢測(cè)、故障報(bào)告、輸出開(kāi)關(guān)控制、反向電流保護(hù)、對(duì)地短路保護(hù)、電池短路保護(hù)、可復(fù)位，用于任何熱插拔應(yīng)用和需要限制過(guò)沖電流的系統(tǒng)，以防止損壞連接器、PCB布線和下游器件。

eFuse對(duì)比傳統(tǒng)熔絲和PTC自恢復(fù)保險(xiǎn)絲

通常有熔斷熔絲、正溫系數(shù)(PTC)自恢復(fù)保險(xiǎn)絲、熱插拔控制器、eFuse等限流保護(hù)方案。以1個(gè)600 W、20 A的直流電源為例，采用熔斷熔絲和PTC自恢復(fù)保險(xiǎn)絲的方案的電流尖峰可分別高達(dá)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(fù)保險(xiǎn)絲在正常工作時(shí)為低阻狀態(tài)，當(dāng)短路發(fā)生時(shí)，PTC自恢復(fù)保險(xiǎn)絲變熱并從低阻狀態(tài)轉(zhuǎn)向高阻狀態(tài)，從而提供保護(hù)功能，當(dāng)故障排除后，PTC自恢復(fù)保險(xiǎn)絲冷卻并復(fù)位為低阻狀態(tài)。與熔斷熔絲和PTC自恢復(fù)保險(xiǎn)絲不同，eFuse不是完全基于變熱來(lái)限流，而是通過(guò)測(cè)量電流，若電流超過(guò)規(guī)定限值，則限制電流為預(yù)設(shè)值，后在過(guò)熱時(shí)關(guān)斷內(nèi)部開(kāi)關(guān)。與傳統(tǒng)熔絲相比，eFuse有以下顯著的優(yōu)勢(shì)：

·         過(guò)溫運(yùn)行時(shí)的參數(shù)變化最小

·         故障后不會(huì)毀壞

·         可調(diào)整的電流限制

·         使能引腳導(dǎo)通或關(guān)斷器件

·         故障引腳報(bào)告已發(fā)生的故障以控制邏輯電路或其它電源軌

·         軟啟動(dòng)以限制浪涌電流

·         電壓鉗位，防止負(fù)載受電壓尖峰影響

·         閂鎖或自動(dòng)復(fù)位選擇，若負(fù)載恢復(fù)則一切將復(fù)位，無(wú)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(shù)(PPTC)自恢復(fù)保險(xiǎn)絲的優(yōu)勢(shì)。

表1：eFuse對(duì)比PPTC自恢復(fù)保險(xiǎn)絲

eFuse對(duì)比熱插拔控制器

熱插拔控制器雖提供先進(jìn)的特性和診斷，可通過(guò)使用不同的FET增加電流限值，具有嚴(yán)格的容限電流，但難以保證在SOA運(yùn)行，且價(jià)格更高。 eFuse可確保始終在SOA內(nèi)運(yùn)行，提供實(shí)時(shí)熱反饋，可通過(guò)并聯(lián)eFuse增加電流限值，節(jié)省占板空間，并提供更高性?xún)r(jià)比。

eFuse易于并聯(lián)以增加輸出電流能力

在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)的工作電流可能高于eFuse規(guī)定的電流負(fù)荷，我們可通過(guò)并聯(lián)eFuse來(lái)增加輸出電流能力。在設(shè)計(jì)中，我們將eFuse的使能(enable)引腳和故障(fault)引腳并聯(lián)在一起，安森美半導(dǎo)體的eFuse具有獨(dú)特的三態(tài)使能/故障引腳，高電平代表正常運(yùn)行，中電平代表熱關(guān)斷模式，低電平代表輸出完全關(guān)斷。

圖：12 V eFuse并聯(lián)演示

安森美半導(dǎo)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(dǎo)體的eFuse主要有NIS5135、NIS5452并即將推出NIS2205、NIS2x5x、NIS3x5x、NIS6452、NIS6150、NIS6350、NIS800x，導(dǎo)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(guò)汽車(chē)級(jí)AEQ-Q100認(rèn)證。值得一提的是，NIS6x50還集成新的特性IMON，通過(guò)在IMON引腳和GND之間連接1個(gè)電阻，以將IMON電流轉(zhuǎn)換為對(duì)地參考電壓，從而實(shí)現(xiàn)電流監(jiān)控。

針對(duì)12V電源，安森美半導(dǎo)體主要提供NIS5020/NIS5021、NIS5820、NIS5232、NIS2x2x并即將推出NIS5420、NIS2402和NIS3220，導(dǎo)通阻抗從14 m?至100 m?，電流從2.4 A至12 A。其中，NIS5020沒(méi)有IMON引腳，但可通過(guò)檢測(cè)Rlim 電壓測(cè)量負(fù)載電流，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)增強(qiáng)，相關(guān)的應(yīng)用注釋可參見(jiàn)AND9685/D。

圖：NIS5020通過(guò)檢測(cè)Rlim 電壓測(cè)量負(fù)載電流

在熱插拔時(shí)，電源輸入級(jí)通常易遭受電壓尖峰和瞬態(tài)，安森美半導(dǎo)體的eFuse集成過(guò)壓保護(hù)，可提供快速響應(yīng)，限制輸出電壓，從而不易受電壓瞬態(tài)的影響。有些應(yīng)用要求延遲熱插入后的輸出導(dǎo)通，以使輸入電壓穩(wěn)定，相關(guān)的應(yīng)用注釋可參見(jiàn)AND9672/D。

圖：12 V eFuse熱插拔啟動(dòng)延遲實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)增強(qiáng)

此外，安森美半導(dǎo)體即將推出24 V NIS6124和48 V大電流eFuse，NIS6124針對(duì)24至36 V 提供40 V耐壓，48 V系列的特性有：高邊eFuse 過(guò)流關(guān)斷，48V 應(yīng)用達(dá)80V 峰值輸入電壓，直流能力超過(guò)120 A并可通過(guò)增添MOSFET擴(kuò)展電流能力，容性負(fù)載的有源勵(lì)磁涌流限制，V2自動(dòng)重試功能。48 V eFuse可立即測(cè)試，可根據(jù)需求簡(jiǎn)化或修改PCB，可用作參考設(shè)計(jì)。

可靠性測(cè)試

安森美半導(dǎo)體的eFuse都經(jīng)重復(fù)短路可靠性測(cè)試(AEC-Q100-012)。試驗(yàn)在25°C和-40°C條件下進(jìn)行，以提供最高熱偏移和應(yīng)力，運(yùn)行10萬(wàn)至100萬(wàn)個(gè)周期，結(jié)果都無(wú)功能問(wèn)題且導(dǎo)通阻抗或其它參數(shù)都無(wú)變化。與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手相比，安森美半導(dǎo)體的eFuse的浪涌性能都更出色。

總結(jié)

服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心電源的安全性和可靠性至關(guān)重要。eFuse集成過(guò)流、過(guò)熱及過(guò)壓保護(hù)，且提供診斷和控制功能，比傳統(tǒng)熔絲、PTC自恢復(fù)保險(xiǎn)絲及熱插拔控制器都更有優(yōu)勢(shì)，是一種經(jīng)濟(jì)高效的替代方案。安森美半導(dǎo)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(nèi)置實(shí)時(shí)診斷功能、精密控制和多重保護(hù)特性，確保始終工作在SOA，響應(yīng)快，經(jīng)重復(fù)短路可靠性測(cè)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?xún)?yōu)于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，例如采用獨(dú)特的3態(tài)使能/故障引腳，可并聯(lián)eFuse以增強(qiáng)電流能力，IMON新特性可實(shí)現(xiàn)輸出電流監(jiān)控，熱插拔啟動(dòng)延遲實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)增強(qiáng)等。