高效、可靠和紧凑的eFuse优化服务器和数据中心电源设计

2019-09-06 13:55:03 来源:安森美
在设计服务器和数据中心电源时,设计人员除了需要考虑提升能效和功率密度,还要确保尽可能高的安全性和可靠性,这带来一系列挑战,如无安全工作区(SOA)的顾虑、和诊断及响应等功能安全等等。安森美半导体提供高效、可靠和紧凑的eFuse方案阵容,包括3 V至12 V电源范围和即将推出的24 V、48 V eFuse,帮助设计人员解决这些挑战。这些eFuse内置实时诊断功能、精密控制和多重保护特性,响应快,性能和可靠性优于竞争对手。
 
 
eFuse简介、特性及目标应用

eFuse集成过流、过热及过压保护,提供电流检测、故障报告、输出开关控制、反向电流保护、对地短路保护、电池短路保护、可复位,用于任何热插拔应用和需要限制过冲电流的系统,以防止损坏连接器、PCB布线和下游器件。

 
eFuse对比传统熔丝和PTC自恢复保险丝

通常有熔断熔丝、正温系数(PTC)自恢复保险丝、热插拔控制器、eFuse等限流保护方案。以1个600 W、20 A的直流电源为例,采用熔断熔丝和PTC自恢复保险丝的方案的电流尖峰可分别高达80 A和58 A,而采用eFuse的方案的电流尖峰仅7 A。

熔断熔丝是一次性的,在一次高电流事件熔断后必须更换。PTC自恢复保险丝在正常工作时为低阻状态,当短路发生时,PTC自恢复保险丝变热并从低阻状态转向高阻状态,从而提供保护功能,当故障排除后,PTC自恢复保险丝冷却并复位为低阻状态。与熔断熔丝和PTC自恢复保险丝不同,eFuse不是完全基于变热来限流,而是通过测量电流,若电流超过规定限值,则限制电流为预设值,后在过热时关断内部开关。与传统熔丝相比,eFuse有以下显著的优势:


  • 过温运行时的参数变化最小
  • 故障后不会毁坏
  • 可调整的电流限制
  • 使能引脚导通或关断器件
  • 故障引脚报告已发生的故障以控制逻辑电路或其它电源
  • 软启动以限制浪涌电流
  • 电压钳位,防止负载受电压尖峰影响
  • 闩锁或自动复位选择,若负载恢复则一切将复位,无需重启电源
  • 反向电流阻断
表1列出了eFuse相较聚合物正温系数(PPTC)自恢复保险丝的优势。


表1:eFuse对比PPTC自恢复保险丝
 
eFuse对比热插拔控制器


热插拔控制器虽提供先进的特性和诊断,可通过使用不同的FET增加电流限值,具有严格的容限电流,但难以保证在SOA运行,且价格更高。 eFuse可确保始终在SOA内运行,提供实时热反馈,可通过并联eFuse增加电流限值,节省占板空间,并提供更高性价比。
 
eFuse易于并联以增加输出电流能力


在实际应用中,系统的工作电流可能高于eFuse规定的电流负荷,我们可通过并联eFuse来增加输出电流能力。在设计中,我们将eFuse的使能(enable)引脚和故障(fault)引脚并联在一起,安森美半导体的eFuse具有独特的三态使能/故障引脚,高电平代表正常运行,中电平代表热关断模式,低电平代表输出完全关断。
图:12 V eFuse并联演示
 
安森美半导体高效、可靠、紧凑的eFuse阵容


在3 V至5 V电源范围,安森美半导体的eFuse主要有NIS5135、NIS5452并即将推出NIS2205、NIS2x5x、NIS3x5x、NIS6452、NIS6150、NIS6350、NIS800x,导通阻抗从33 mΩ至200 mΩ,电流从1 A至5 A。其中,NIS6452、NIS6150、NIS6350集成反向电流阻断(RCP)特性,NIS6150、NIS6350还通过汽车级AEQ-Q100认证。值得一提的是,NIS6x50还集成新的特性IMON,通过在IMON引脚和GND之间连接1个电阻,以将IMON电流转换为对地参考电压,从而实现电流监控。
针对12V电源,安森美半导体主要提供NIS5020/NIS5021、NIS5820、NIS5232、NIS2x2x并即将推出NIS5420、NIS2402和NIS3220,导通阻抗从14 mΩ至100 mΩ,电流从2.4 A至12 A。其中,NIS5020没有IMON引脚,但可通过检测Rlim 电压测量负载电流,从而实现系统级增强,相关的应用注释可参见AND9685/D。

图:NIS5020通过检测Rlim 电压测量负载电流

 
在热插拔时,电源输入级通常易遭受电压尖峰和瞬态,安森美半导体的eFuse集成过压保护,可提供快速响应,限制输出电压,从而不易受电压瞬态的影响。有些应用要求延迟热插入后的输出导通,以使输入电压稳定,相关的应用注释可参见AND9672/D。


图:12 V eFuse热插拔启动延迟实现系统级增强

 
此外,安森美半导体即将推出24 V NIS6124和48 V大电流eFuse,NIS6124针对24至36 V 提供40 V耐压,48 V系列的特性有:高边eFuse 过流关断,48V 应用达80V 峰值输入电压,直流能力超过120 A并可通过增添MOSFET扩展电流能力,容性负载的有源励磁涌流限制,V2自动重试功能。48 V eFuse可立即测试,可根据需求简化或修改PCB,可用作参考设计。
 
 
可靠性测试


安森美半导体的eFuse都经重复短路可靠性测试(AEC-Q100-012)。试验在25°C和-40°C条件下进行,以提供最高热偏移和应力,运行10万至100万个周期,结果都无功能问题且导通阻抗或其它参数都无变化。与竞争对手相比,安森美半导体的eFuse的浪涌性能都更出色。
 
总结

服务器和数据中心电源的安全性和可靠性至关重要。eFuse集成过流、过热及过压保护,且提供诊断和控制功能,比传统熔丝、PTC自恢复保险丝及热插拔控制器都更有优势,是一种经济高效的替代方案。安森美半导体提供高效、可靠和紧凑的eFuse方案阵容,包括3 V至12V 电源范围以及即将推出的24V和48 V大电流eFuse,内置实时诊断功能、精密控制和多重保护特性,确保始终工作在SOA,响应快,经重复短路可靠性测试,防止电路免受高浪涌电流、电压尖峰和热耗散的损害,性能和可靠性优于竞争对手,例如采用独特的3态使能/故障引脚,可并联eFuse以增强电流能力,IMON新特性可实现输出电流监控,热插拔启动延迟实现系统级增强等。


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