如今,新的複雜業務模型正採用基於雲端的平台,透過省去使用內部資料中心,以提高效率、減少資本支出(CAPEX)和營運支出(OPEX)。採用雲端儲存和基於雲端的服務代表一個真正的大趨勢,不僅在大型企業越來越流行,近幾年來在中小型企業(SMB)中所占比例也顯著增加。除了少數企業出於性能、可靠性或網路和資料安全原因而需要保留內部資料中心,大多數企業將持續這一上雲趨勢。

雲端儲存市場規模將以23.7%的年複合成長率(CAGR)成長,預計到2022年將達到889.1億美元。據估計,資料中心和基於雲端的儲存消耗當今總發電量的3%,隨著對雲端儲存和資料中心的需求以如此快的速度成長,預計能源需求在短期內將顯著增加。由於能源使用對環境的影響和節省數百萬美元營運成本的潛力,資料中心設計人員正面臨挑戰,必須透過採用先進的配電和管理解決方案來提高能效,同時保持或縮減尺寸。在此領域,即使提高最小百分比的能效,也相當於節省大量寶貴的能源和成本。

一個重要的目標是降低能源使用效率(PUE)的比率。為了實現這個目標,需要能夠獲得更高能效、準確性和可靠性的技術。這涉及了配電系統(PDU)、匯流排、不斷電供應系統(UPS)以及其保護電路。

由於資料中心和雲端系統的功率密度不斷提高,對於過電流保護的要求比以往任何時候都更具挑戰性,並且已成為所有保護考慮因素中最關鍵的因素之一。對於更高的準確性、可靠性、安全性(例如符合IEC 62368標準)和具有先進診斷的快速回應時間等需求越來越普遍。然而,傳統的保險絲由於回應遲緩、缺乏診斷或故障報告,而無法滿足這些要求。

將電子熔絲(eFuse;或稱電子保險絲或電子熔斷金屬保險絲)與同等傳統保險絲——例如熔絲和聚合物正溫係數(PPTC)等可重設保險絲的規格和性能進行比較顯示,eFuse具有非常低的響應時間和湧入電流控制,在發生短路時可大幅減小電流突波。

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圖1:eFuse與傳統保險絲的比較

由於這些原因以及近年來新技術的出現,在可行的情況下,設計人員試圖將傳統的保險絲替換為熱插拔控制器和外部FET,或者替換為eFuse。eFuse包含整合控制器的功率MOSFET和許多內建保護功能,包括過壓、過流對電池短路和熱保護,以及診斷功能如電源穩定(power good)訊、電流監測和故障/啟用。另一方面,熱插拔控制器使用外部FET而不是整合的FET,且通常用於較高電流應用。

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圖2:eFuse的功能

兩種技術之間的主要區別在於eFuse能夠即時追蹤內建MOSFET晶片溫度和電流的能力,以及迅速採取糾正措施。儘管如此,熱插拔控制器能透過放大主MOSFET來提高電流,因而仍將普及於超過100A的高電流應用中。而eFuse的持續電流承受能力從低於1A到50A (取決於導通Rds(on)、封裝和邊界條件),有望在伺服器和雲端儲存應用中普及。

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圖3:eFuse和熱插拔控制器

eFuse現在被應用於各種雲端應用中,包括作為儲存裝置的企業硬碟(HDD)和固態硬碟(SSD)、儲存系統中的背板保護、伺服器和熱插拔風扇等。每一應用都提出了不同的挑戰。在驅動電感和電容負載時產生的電應力、熱插拔和短路產生的應力,使得難以保證在安全工作區(SOA)運行,並且在滿足嚴格能效要求的同時實現功能安全。一些關鍵應用和相關挑戰如下:

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圖4:eFuse的雲端應用

1. 快速、準確的過流保護,適用於所有應用:傳統的解決方案如熔斷熔絲以及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,具體取決於短路事件的類型。 同時,大多數eFuse都基於可編程的電流極限值在幾微秒(< 5µs)內回應短路事件,並將電流保持在程式設計值,直到晶片溫度超過熱關斷閾值為止。

2. 熱插拔風扇和儲存系統:由於與這些應用相關的馬達或輸出電容較大,在啟動過程中可能會出現很大的湧入電流。然而,在輸出端採用可控制和可編程轉換率的eFuse,有助於減少較大的湧入電流,從而保護系統。特別是對於風扇來說,是否採用eFuse的執行對於湧入電流有很大的影響。採用了eFuse,湧入電流則可大幅降低,從而保護下游電路。

3. 對電源的過壓保護:由於電源故障或連接到過流保護輸入的DC-DC轉換器故障,所有下游電路都可能承受過壓應力,這些電路的耐壓程度可能沒那麼高。所幸eFuse內建過壓保護功能,即使輸入電壓遠高於操作電壓,也可將元件的輸出箝位到一定的安全電壓水準。因此保護了下游電路免受過壓應力的影響。 在許多情況下,受保護的電路耐受非常低的過電壓應力。 因此,過壓保護不僅要可靠,還要非常快。對於eFuse,檢測和啟動內部箝位的時間約< 5µs。

例如,安森美半導體(ON Semiconductor)開發出從3V到12V的多種eFuse,支援從1A到12A的連續電流。 最新的元件是12V eFuse系列NIS5232、NIS5820、NIS5020和NIS5021,分別支援4A、8A、10A和12A,用於需要過流、過熱、過壓和湧入電流保護的應用,並能透過通用型輸入輸出(GPIO)報告故障及停用輸出。在不斷縮減整體設計尺寸的壓力下,DFN10(3mm x 3mm)和DFN10(4mm x 4mm)封裝有助於因應挑戰以及支援小型的板佈局。

總結

由於提高PUE比率日增的壓力和願望,資料中心和雲端伺服器的功率密度不斷增加,以及安全標準的推行,對過流保護元件的負荷正在改變並將變得更加複雜。eFuse具備更高精度、快速響應時間、高可靠性、故障報告能力以及診斷特性,不僅有助於落實雲端應用,同時也能因應工業、汽車和電信設備過流保護的挑戰。

本文作者: Pramit Nandy, 安森美半導體產品行銷經理 Sudhama Shastri, 安森美半導體產品行銷總監