数据中心电源保护革命：eFuse 如何应对兆瓦级挑战

在 AI 算力爆发的时代，数据中心正经历着前所未有的电力考验。当单台 AI 服务器功率突破 10kW，GPU 瞬时负载波动超过 200A 时，电源保护方案也要随之升级。电子保险丝（eFuse）作为新一代保护器件，正凭借智能化、集成化优势，成为服务器电源的 “智能保镖”。日前，德州仪器系统经理游声扬结合TI的创新eFuse高集成产品，解析这一关键技术如何重塑数据中心的电力安全体系。

数据中心电力保护的 “不可能任务”

现代 AI 数据中心，服务器机架正面临三大颠覆性挑战：

功率密度爆炸式增长：单机架功率从传统的 15kW 飙升至 100kW+，部分 AI 专用机架已向兆瓦级（1000kW）迈进。当 NVIDIA H100 GPU 集群启动时，瞬时浪涌电流可达额定值的 10 倍，传统保险丝根本来不及响应。
动态负载剧烈震荡：大语言模型训练时，GPU 负载电流以 50A/μs 的速率波动，传统保护方案无法精准捕捉异常，在负载突变时可能会造成误触发。
电压架构跨越式升级：为降低铜损，服务器电源正在从 12V 母线转向 48V，未来将迈向 400V 高压直流（HVDC）。这要求保护器件在承受更高电压的同时，实现更小体积 ——12V 时代的分立式方案在 48V 系统中体积将增大 300%，根本无法适配高密度机架。

一次意外短路就能让整个机架瘫痪，而排查故障往往需要数小时。因此，需要可靠的电源保护器件。

熔断型保险丝需人工更换，不能应对AI服务器7*24小时在线的要求，而传统分立器件构成的热插拔模块无论在体积、可靠性、成本等方面要逊色于集成方案，也就是本文的主角eFuse。

eFuse：重新定义电源保护的 “智能基因”

eFuse并非简单的 “电子版保险丝”，而是融合了功率控制、传感监测、逻辑决策的系统级方案。TI 的 TPS1685 等产品，更将其带入 “智能化 2.0 时代”。

eFuse是集成式电源保护开关，可在故障事件期间提供电压和电流保护。这些故障事件包括可能损坏下游负载的短路、过流、过压、欠压和温度异常。在短路瞬态事件中，流经eFuse的电流会迅速增加，此时eFuse会触发快速触发电流阈值，在 200 ns内终止电流的快速上升，从而保护电源。若输入侧 (VIN) 发生过压事件，eFuse会监测内部FET两端的电压，并箝位输出电压，直至输入电压降至过压阈值以下。eFuse还内置过温保护功能，当结温超过典型值 150°C 时，会关闭场效应晶体管。根据型号不同，eFuse会在结温降低后保持关闭状态 (锁断版本) 或尝试重启 (自动重试版本)。

eFuse还具备许多类似负载开关的附加功能，包括可调浪涌电流控制和反向电流保护。管理从有源电源总线到子系统的电流流动是一项具有挑战性的任务，当设备插入或移除带电电源时，初始电容充电过程中可能会出现巨大的电流尖峰。热插拔控制器可确保这些系统的安全插入和运行。不过与热插拔控制器不同，eFuse集成了场效应晶体管，可最小化整体解决方案尺寸，使其适用于电源多路复用等应用。通过使用两个eFuse，每个eFuse可控制一条电源轨，同时为各自的电源提供反向电流保护。此外，eFuse通过了 UL 2367 认证，可缩短系统测试时间。

eFuse 的核心是集成了 MOSFET 的智能开关，具备三重控制逻辑：

预限流保护：当检测到电流超过阈值（如 1.5 倍额定值），先通过动态调节 MOSFET 导通程度，将电流斜率控制在安全范围，从而降低启动浪涌。
短路极速响应：在输出端短路时，200 纳秒内快速关断。
热失控防御：内置温度传感器实时监测结温，超过 150℃时自动进入 “休眠模式”，待温度下降后智能重启。

常见的电源开关框架

如图所示，几种电路保护或者开关原件对比，此图为2019年制，如今TI已经将eFuse所支持的最大电压提升至80V，且最大耐受值达92V。

全场景保护矩阵：构建多维防护网

德州仪器最新推出的TPS1685x是一款集成式大电流电路保护和电源管理器件。该器件只需很少的外部元件即可提供多种保护模式，能够非常有效地抵御过载、短路和过多浪涌电流。

如图所示，从分立器件到如今的热插拔控制器+FET模式，再到TPS1685x高集成方案，整个系统尺寸从380mm2缩小到了30mm2，从而为高密度机架释放宝贵空间。

TI 的 eFuse 产品线针对数据中心需求，打造了立体化保护体系，游声扬总结了TPS1685x的优势如下：

准确快速地响应故障事件，确保系统可靠运行 
集成式黑匣子用于记录故障 
用户可配置过流消隐计时器，避免在出现峰值浪涌电流时误跳闸 
主动的 Rdson 调节机制，可提高精度并优化并联器件之间的电流平衡 
FET 安全工作区有保障，具备 FET 运行状况监测功能

游声扬特别提到了过流消隐计时器，由于GPU的动态负载比CPU更剧烈，所以常常会有过载的情况，面对这种瞬时过载，需要确保eFuse不能误触发保护。

另外，游声扬还提到了针对更高的功率负载，TPS1685x集成了电流传感器，可以确保并联时的电流平衡。“分立式的eFuse容易造成阻抗不匹配从而造成电流不均衡，而TPS1685x通过IMON引脚确保电流均衡。”游声扬表示。

革命性的数据中心保护措施

从传统保险丝的 “事后止损”，到 eFuse 的 “实时智控”，数据中心的电源保护正在经历一场静悄悄的革命。TI 的 TPS1685不仅解决了 48V 架构下的具体挑战，更预示着电力保护的未来方向 —— 更集成、更智能、更可靠。

当 AI 正在重塑人类社会的数字基建，数据中心的电力安全已成为技术竞争的核心战场。eFuse 技术的成熟，如同为数据中心装上 “智能心脏”，让兆瓦级电力系统的可靠运行成为可能。服务器的电源，不仅在能源的转换过程中需要管理，同时在能源的安全使用过程中同样需要管理。而eFuse，正是开启这场革命的关键钥匙。