集成自舉驅動的旁路分流輔助方案

錢秋曉 郭 睿 錢秋亮

集成自舉驅動的旁路分流輔助方案

錢秋曉 郭 睿 錢秋亮

（長城電源技術（深圳）有限公司，廣東 深圳 581000）

在服務器電源的浮地驅動應用中，驅動集成電路（IC）基本取代了分立器件搭建的驅動線路。在特殊工況下對IC進行替代實驗發現，持續高瞬態沖擊電流會造成IC內部自舉二極管燒壞開路，導致驅動異常、電源損壞的問題，因此單純使用部分驅動IC在特殊工況下可能并不適用。本文對人工智能（AI）服務器電源在惡劣工況下的驅動IC異常問題進行分析，在驅動IC的基礎上增加旁路分流輔助二極管線路，保障多種類驅動IC在惡劣工況下的正常工作，進一步提升了系統的整體穩定性和物料替代的多樣性。

集成驅動；自舉二極管；Boot電流；瞬態尖峰電流

0 引言

人工智能（artificial intelligence, AI）服務器對高功率密度的服務器電源要求越來越嚴格[1-3]，其中常規分立元件搭建的驅動已逐步被高功率密度集成驅動所取代[4-5]。在實際高算力條件下，適配的服務器電源時常會在特殊工況下出現驅動異常，導致系統故障。

本文對AI服務器在惡劣工況下工作時，造成配套服務電源的浮地驅動集成電路（integrated circuit, IC）異常問題進行分析[6-8]，提出一種備用旁路分流輔助二極管線路，降低IC內部二極管的Boot電流（瞬態沖擊和反向恢復電流）應力和熱應力，以提高惡劣工況下驅動IC的穩定性，保障電源系統的整體穩定性。

1 浮地半橋驅動IC集成自舉線路分析

半橋驅動IC廣泛應用于浮地驅動場合，因高功率密度要求，驅動IC內部一般會集成自舉二極管，同時其應用外圍電路的設計也更為簡潔，廣泛用于高功率密度開關電源的開發設計中[9-11]。半橋驅動IC內部邏輯及應用推薦線路如圖1所示。

在驅動線路正常工作時，該線路有以下兩種工作狀態：

1）下管驅動打開及導通狀態，內部自舉二極管與Boot電容工作，Boot電容充電，滿足

圖1 半橋驅動IC內部邏輯及應用推薦線路

2）下管截止、上管導通時，上管驅動電壓被抬高，滿足

式中，H為開關管上管電壓。

實際應用中，為提高電路在高頻驅動下的響應速度，Boot電阻阻值較小，在特殊工況條件下，極易出現IC內部二極管因連續較大的Boot電流而損壞，導致驅動異常后電源系統宕機。

2 旁路分流輔助優化方案

半橋驅動IC內部集成的自舉二極管參數在設計規格書中的描述很少，導致所設計的產品可能存在風險隱患，而工程設計生產中需要盡可能避免單一物料的出現，對物料可替代性的要求也越來越高，因此如何選取合適的驅動IC及其替代物料成為工程設計中的技術難點。本文以高功率開關電源半橋驅動設計為背景[12-13]，為進一步提高驅動IC在工程應用中的穩定性和可替代性，結合理論計算與設計，外加旁路分流輔助二極管備用線路來分擔IC內部二極管驅動Boot電流的沖擊應力，保障驅動IC的穩定性，提高電源系統的可靠性，使電源更加適應服務系統的惡劣工況。驅動IC旁路分流輔助方案如圖2所示。

相比于原始應用方案，外并旁路分流二極管可進一步降低內部二極管的電流沖擊應力，其中常規Boot電容boot的選擇需滿足

式中：為MOSFET門極電荷，本文設計高端三顆MOSFET選用INF BSC070N10NS3；為最小壓降，其中為驅動IC HB引腳電位，為驅動IC HS引腳電位；為MOSFET的閾值電壓；Vf為旁路二極管正向導通壓降。本文設計所選參數分別為，， ，。

式中：為驅動頻率；mosG為驅動MOSFET總門極電荷，本文設計高端驅動選用3顆INF BSC070N10NS3。

結合式（5）進行理論計算，選用旁路輔助分流方案可有效降低IC內部自舉二極管的Boot電流應力，可實現預期方案要求，建議工程設計Layout布局時預留此位置，以滿足不同類型驅動IC的設計需求。

3 方案驗證及實驗對比

為驗證旁路分流輔助方案的有效性，本文通過Chrom電子負載模擬AI高算力時的惡劣負載條件，分別對旁路分流輔助二極管對半橋IC內部二極管瞬態Boot電流的分流能力、IC溫升特性及整機老化穩定性展開分析。

3.1 驅動IC內部二極管Boot電流應力

驅動IC 0至55A Boot電流對比如圖3所示，驅動IC 0至55A瞬態Boot電流對比如圖4所示，驅動IC軟啟動后穩態55A Boot電流對比如圖5所示，圖中Ch2表示改前Boot電流波形，Ref1表示加入旁路分流后Boot電流波形，Ch4表示輸出電流波形。驅動IC集成二極管Boot電流對比見表1。

圖3 驅動IC 0至55A Boot電流對比

圖4 驅動IC 0至55A瞬態Boot電流對比

圖5 驅動IC軟啟動后穩態55A Boot電流對比

表1 驅動IC集成二極管Boot電流對比

由上述實驗結果可知，無論在瞬態重載時，還是軟啟動穩態后，在旁路輔助作用下，IC內部二極管的瞬態Boot電流降低了58.95%，穩態Boot電流有效控制在0.3A以下，旁路分流二極管可有效分擔IC內部自舉二極管的Boot電流，且與理論計算基本吻合，證明了理論分析的準確性。因使用的旁路分流二極管為肖特基二極管，反向恢復時間rr=5ns，因此反向恢復電流主要受IC內部自舉二極管影響，此處改善不明顯，后續會針對此問題進行深入研究。

3.2 驅動IC溫升對比

實際應用中，損壞IC的因素不僅有電壓電流應力，還包括溫升應力。為驗證改進后方案的溫升特性，在同等服務器高算力吃載工況下，環境溫度為28℃，檢測半橋IC的溫升。模擬惡劣工況10min驅動IC溫度對比如圖6所示。

圖6 模擬惡劣工況10min驅動IC溫度對比

通過圖6可明顯看出，優化后驅動IC的溫升有明顯改善，在常溫25℃條件下，運行穩定后改進前后的溫度相差2.62℃，進一步驗證了本文方案的優越性。

3.3 系統穩定性對比

考慮到在惡劣工況下運行時，原始方案會出現內部集成二極管因連續高Boot電流沖擊而損壞，導致驅動IC發波異常，致使上下管共通，電源變壓器二次側短路，損壞開關管和驅動IC。驅動IC損壞驅動異常現象如圖7所示。

圖7 驅動IC損壞驅動異常現象

從圖7可明顯看出，Boot電流異常時，驅動同步發生異常，多個周期發波后，集成二極管完全損壞，電源宕機，實測IC內部自舉二極管開路。

為進一步驗證優化后線路在惡劣工況下的穩定性，使用電子負載模擬AI服務器高算力條件下的吃載情況，在高溫55℃持續運行30min。電子負載模擬惡劣算力負載電流如圖8所示。

圖8 電子負載模擬惡劣算力負載電流

選用CRPS 服務器電源，在高溫55℃持續運行60min，檢測輸出電壓及負載波形，驗證二次側驅動在旁路分流輔助條件下的穩定性。優化方案55℃穩定運行60min實驗結果如圖9所示。

圖9 優化方案55℃穩定運行60min實驗結果

結合實際工況，在高溫55℃條件下持續運行60min，電源系統穩定運行，進一步驗證了分流輔助方案的可靠性，可有效降低IC內部二極管的Boot電流應力，同時在溫度特性方面更具優勢。綜合上述實驗結果可知，旁路分流輔助方案在浮地驅動應用中優勢明顯，使開關電源系統的穩定性更佳。

4 結論

驅動IC在浮地驅動應用中，集成自舉二極管的選型規格直接影響整個系統驅動的穩定性。為保障電源產品在各種惡劣工況下的穩定性，結合旁路分流輔助方案，可有效降低IC內部二極管的Boot電流及反向恢復電流，在IC溫升應力方面也更具優勢，可進一步提高整個系統的穩定性，保障服務器電源在惡劣算力工況下的穩定性。因此，建議在進行Layout設計時，預留旁路二極管位置，以滿足不同類型驅動IC的設計需求，降低設計風險。

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Integrated bootstrap drive bypass shunt auxiliary scheme

QIAN Qiuxiao GUO Rui QIAN Qiuliang

(Great Wall Power Supply Technology Co., Ltd, Shenzhen, Guangdong 581000)

In the application of floating ground drive of server power supply, the drive integrated circuit (IC) basically replaces the drive line built by discrete devices. Under special working conditions, it is found that the continuous high transient impulse current will cause the internal bootstrap diode of the IC to burn out and open the circuit, resulting in abnormal driving and power supply damage. Therefore, the use of partial drive IC may not be applicable under special conditions. This paper analyzes the abnormal problem of the drive IC for the artificial intelligence (AI) server power supply under harsh conditions. On the basis of the drive IC, the bypass shunt auxiliary diode circuit is added to ensure the normal operation of various drive ICs under harsh conditions, and further improve the overall stability of the system and the diversity of material substitution.

integrated drive; bootstrap diode; Boot current; transient spike current

2023-10-19

2023-11-27

錢秋曉（1982—），男，浙江省溫州市人，本科，工程師，主要從事服務器電源開發工作。