eFuses erfüllen die Anforderungen an den Überstromschutz in 
Cloud-Anwendungen

Neue und komplexe Geschäftsmodelle vertrauen heute auf Cloud-basierte Plattformen, um die Effizienz zu verbessern sowie Investitionen (CAPEX) und Betriebsausgaben (OPEX) zu senken, indem interne Rechenzentren überflüssig werden.

Die Einführung von Cloud-Speicher und Cloud-basierten Diensten ist ein echter Megatrend und gewinnt nicht nur in großen Konzernen immer mehr an Beliebtheit, sondern auch in kleinen und mittelständischen Unternehmen (KMUs), in denen die Akzeptanz in den letzten Jahren deutlich gestiegen ist. Dieser Trend wird sich für die meisten Unternehmen fortsetzen – mit einigen wenigen Ausnahmen, die aus Gründen der Leistungsfähigkeit, Zuverlässigkeit oder der Cyber- und Datensicherheit interne Rechenzentren unterhalten müssen.

Der Markt für Cloud-Speicher soll bis 2022 ein durchschnittliches jährliches Wachstum (CAGR) von 23,7% verzeichnen und 88,91 Mrd. US-$ erreichen. Einer Schätzung zufolge verbrauchen Rechenzentren und Cloud-basierte Speicher heute etwa 3 % der weltweit erzeugten Energie. Da die Nachfrage nach Cloud-Speichern und Rechenzentren so schnell wächst, wird deren Energiebedarf in naher Zukunft erheblich steigen. Aufgrund der Auswirkungen des Energieverbrauchs auf die Umwelt und der Möglichkeit, Betriebskosten in Millionenhöhe einzusparen, stehen die Entwickler von Rechenzentren vor der Herausforderung, die Energieeffizienz durch fortschrittliche Energieverteilungs- und Energiemanagement-Lösungen zu verbessern und gleichzeitig die Baugröße bzw. Formfaktoren beizubehalten oder zu reduzieren. In diesem Bereich können selbst kleinste Effizienzgewinne wertvolle Energie- und Kosteneinsparungen mit sich bringen.

Ein Ziel ist, das PUE-Verhältnis (PUE; Power Usage Effectiveness) zu reduzieren und den Wirkungsgrad zu erhöhen. Dafür ist Technik erforderlich, die eine höhere Effizienz, Genauigkeit und Zuverlässigkeit erzielt. Dies gilt für Stromverteilungssysteme (PDUs; Power Distribution Systems), Busleitungen sowie für unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) und für die zu deren Schutz eingesetzten Bausteine und Schaltkreise.

Aufgrund der ständig steigenden Leistungsdichte in Rechenzentren und Cloud-basierten Systemen sind die Anforderungen an den Überstromschutz anspruchsvoller als je zuvor und zu einem entscheidenden Bestandteil aller Schutzüberlegungen geworden. Die Forderung nach besserer Genauigkeit, Zuverlässigkeit, Sicherheit (z. B. zur Einhaltung der Norm IEC 62368) und schnellen Reaktionszeiten mit fortschrittlichen Diagnosefunktionen wird immer größer. Herkömmliche Sicherungen können diese Anforderungen aufgrund ihres trägen Ansprechens und der fehlenden Diagnose- oder Fehlerberichterstattung nicht bedienen.

Ein Vergleich der Spezifikationen und der Leistungsfähigkeit von eFuses mit denen herkömmlicher Sicherungen wie Schmelz- und rücksetzbaren Sicherungen mit positivem Temperaturkoeffizienten (PPTC; Polymeric Positive Temperature Coefficient) zeigt, dass eFuses sehr kurze Reaktionszeiten und eine Einschaltstromregelung aufweisen, die Stromspitzen bei einem Kurzschluss erheblich reduzieren.

Vergleich einer eFuse mit einer herkömmlichen Sicherung

Aus diesen Gründen und dem Aufkommen neuer Technologien in den letzten Jahren haben Entwickler, wo immer möglich, versucht, herkömmliche Sicherungen durch einen Hot-Swap-Controller plus externen FET oder durch eine eFuse zu ersetzen. Die eFuse besteht aus einem Leistungs-MOSFET mit integriertem Controller und zahlreichen Schutzfunktionen vor Überspannung, Überstrom, Kurzschluss und Überhitzung sowie Diagnosefunktionen wie Power Good, Stromüberwachung und Fault/Enable. Andererseits verwenden Hot-Swap-Controller einen externen FET anstelle eines integrierten und kommen in Anwendungen mit höheren Strömen zum Einsatz.

Leistungsmerkmale einer eFuse

Der wesentliche Unterschied zwischen den beiden Technologien besteht in der Fähigkeit von eFuses, die Temperatur und den Strom des integrierten MOSFETs in Echtzeit zu verfolgen und sehr schnell Korrekturmaßnahmen zu ergreifen. Dennoch werden Hot-Swap-Controller mit ihrer Fähigkeit, den Strom durch Skalieren des Haupt-MOSFETs zu erhöhen, für Hochstromanwendungen >100 A weiterhin bevorzugt. Es wird jedoch erwartet, dass eFuses mit ihrer Dauerstrombelastbarkeit von <1 bis 50 A (abhängig vom RDS(on), Gehäuse und Randbedingungen) in Servern und Cloud-Speichern weiterhin an Beliebtheit gewinnen.

eFuse und Hot-Swap-Controller

eFuses kommen heute in verschiedenen Cloud-Anwendungen zum Einsatz, u.a. in Enterprise-HDDs und -SSDs, die als Massenspeicher verwendet werden; als Backplane-Schutz im Speichersystem; in Servern und Hot-Plug-fähigen Lüftern. Jede Anwendung stellt dabei unterschiedliche Herausforderungen. Elektrische Spannungen, die bei der Ansteuerung induktiver und kapazitiver Lasten verursacht werden sowie Spannungen aufgrund von Hot-Plugging und Kurzschluss machen es schwierig, den Betrieb innerhalb des sicheren Betriebsbereichs (SOA; Safe Operating Area) zu gewährleisten, gleichzeitig funktionale Sicherheit zu erzielen und die strengen Anforderungen an die Energieeffizienz zu erfüllen. Zu den hauptsächlichen Anwendungen und den damit verbundenen Herausforderungen zählen:
eFuses in Cloud-Anwendungen

1 - Schneller und präziser Überstromschutz für alle Anwendungen:
Herkömmliche Lösungen wie Schmelzsicherungen sowie PPTCs haben eine sehr schlechte Toleranz. Die Reaktions- und Auslösezeiten variieren je nach Art des Kurzschlusses zwischen einigen 100 ms und Sekunden. Die meisten eFuses hingegen reagieren auf Kurzschlüsse in wenigen Mikrosekunden (<5 µs) – basierend auf dem eingestellten Strombegrenzungswert – und halten den Strom auf dem eingestellten Wert, bis die Chip-/Die-Temperatur die thermische Abschaltschwelle überschreitet.

2 - Hot-Plug-fähige Lüfter und Massenspeicher:
Aufgrund des mit diesen Anwendungen verbundenen Motors oder eines großen Ausgangskondensators ist beim Start ein hoher Einschaltstrom zu erwarten. eFuses mit kontrollierter und einstellbarer Anstiegsrate am Ausgang tragen dazu bei, große Einschaltströme zu reduzieren und somit das System zu schützen. Speziell bei Lüftern macht der Betrieb mit und ohne eFuse einen großen Unterschied beim Einschaltstromstoß. Mit einer eFuse wird dieser erheblich reduziert, wodurch nachgeschaltete Schaltkreise geschützt sind.

3-Überspannungsschutz für Stromversorgungen:
Es besteht die Möglichkeit, dass aufgrund des Ausfalls von Stromversorgungen oder DC/DC-Wandlern, die an den Eingang des Überstromschutzes angeschlossen sind, eine Überspannungsbelastung für alle nachgeschalteten Schaltkreise auftritt, die möglicherweise nicht für solch hohe Spannungen ausgelegt sind. Da eFuses über einen eingebauten Überspannungsschutz verfügen, begrenzen sie den Ausgang des Geräts auf einen bestimmten sicheren Spannungspegel (Clamping) – selbst wenn die Eingangsspannung viel höher als die Betriebsspannung ist. Die nachgeschalteten Schaltkreise sind somit gegen eine Überspannungsbelastung geschützt. In vielen Fällen haben die zu schützenden Schaltkreise eine sehr geringe Toleranz gegenüber Überspannungsbelastungen. Daher muss der Überspannungsschutz nicht nur zuverlässig, sondern auch sehr schnell sein. Bei eFuses kann die Zeit zum Erkennen und Aktivieren der internen Klemme in der Größenordnung von <5 µs liegen.

ON Semiconductor bietet eine Reihe von eFuses, die von 3 bis 12 V reichen und einen Dauerstrom von 1 bis 12 A unterstützen. Die neuesten Bausteine sind die 12 V-eFuse-Serie NIS5232, NIS5820, NIS5020 und NIS5021, die 4 A, 8 A, 10 A bzw. 12 A für Anwendungen unterstützen, die Überstrom-, Übertemperatur-, Überspannungs- und Einschaltstromschutz erfordern, sowie die Möglichkeit bieten, Fehler zu melden und den Ausgang über GPIO zu deaktivieren. DFN10-Gehäuse (3 mm x 3 mm) und WDFN10-Gehäuse (4 mm x 4 mm) tragen dazu bei, die geforderten kleineren Baugrößen und ein kompaktes Leiterplatten-Layout zu unterstützen.

Fazit
Aufgrund der zunehmenden Forderung, die Energieeffizienz bzw. den PUE-Wert (Power Usage Efficiency) zu verbessern, der höheren Leistungsdichte in Rechenzentren und Cloud-Servern sowie der Einführung von Sicherheitsstandards verschärfen sich die Anforderungen an Überstromschutzvorrichtungen, die deshalb immer komplexer werden. eFuses mit ihrer hohen Genauigkeit, schnellen Reaktionszeit, Zuverlässigkeit, Fehlerberichterstattungs- und Diagnosefunktion helfen dabei, die Herausforderungen beim Überstromschutz nicht nur für Cloud-Anwendungen, sondern auch für die Bereiche Industrie, Automobilelektronik und Telekommunikation zu bewältigen.

www.onsemi.com

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