錢秋曉 郭 睿 錢秋亮

集成自舉驅(qū)動的旁路分流輔助方案

錢秋曉 郭 睿 錢秋亮

（長城電源技術(shù)（深圳）有限公司，廣東 深圳 581000）

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

集成驅(qū)動；自舉二極管；Boot電流；瞬態(tài)尖峰電流

0 引言

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

本文對AI服務(wù)器在惡劣工況下工作時，造成配套服務(wù)電源的浮地驅(qū)動集成電路（integrated circuit, IC）異常問題進(jìn)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(nèi)部二極管的Boot電流（瞬態(tài)沖擊和反向恢復(fù)電流）應(yīng)力和熱應(yīng)力，以提高惡劣工況下驅(qū)動IC的穩(wěn)定性，保障電源系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。

1 浮地半橋驅(qū)動IC集成自舉線路分析

半橋驅(qū)動IC廣泛應(yīng)用于浮地驅(qū)動場合，因高功率密度要求，驅(qū)動IC內(nèi)部一般會集成自舉二極管，同時其應(yīng)用外圍電路的設(shè)計也更為簡潔，廣泛用于高功率密度開關(guān)電源的開發(fā)設(shè)計中[9-11]。半橋驅(qū)動IC內(nèi)部邏輯及應(yīng)用推薦線路如圖1所示。

在驅(qū)動線路正常工作時，該線路有以下兩種工作狀態(tài)：

1）下管驅(qū)動打開及導(dǎo)通狀態(tài)，內(nèi)部自舉二極管與Boot電容工作，Boot電容充電，滿足

圖1 半橋驅(qū)動IC內(nèi)部邏輯及應(yīng)用推薦線路

2）下管截止、上管導(dǎo)通時，上管驅(qū)動電壓被抬高，滿足

式中，H為開關(guān)管上管電壓。

實際應(yīng)用中，為提高電路在高頻驅(qū)動下的響應(yīng)速度，Boot電阻阻值較小，在特殊工況條件下，極易出現(xiàn)IC內(nèi)部二極管因連續(xù)較大的Boot電流而損壞，導(dǎo)致驅(qū)動異常后電源系統(tǒng)宕機(jī)。

2 旁路分流輔助優(yōu)化方案

半橋驅(qū)動IC內(nèi)部集成的自舉二極管參數(shù)在設(shè)計規(guī)格書中的描述很少，導(dǎo)致所設(shè)計的產(chǎn)品可能存在風(fēng)險隱患，而工程設(shè)計生產(chǎn)中需要盡可能避免單一物料的出現(xiàn)，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(qū)動IC及其替代物料成為工程設(shè)計中的技術(shù)難點(diǎn)。本文以高功率開關(guān)電源半橋驅(qū)動設(shè)計為背景[12-13]，為進(jìn)一步提高驅(qū)動IC在工程應(yīng)用中的穩(wěn)定性和可替代性，結(jié)合理論計算與設(shè)計，外加旁路分流輔助二極管備用線路來分擔(dān)IC內(nèi)部二極管驅(qū)動Boot電流的沖擊應(yīng)力，保障驅(qū)動IC的穩(wěn)定性，提高電源系統(tǒng)的可靠性，使電源更加適應(yīng)服務(wù)系統(tǒng)的惡劣工況。驅(qū)動IC旁路分流輔助方案如圖2所示。

相比于原始應(yīng)用方案，外并旁路分流二極管可進(jìn)一步降低內(nèi)部二極管的電流沖擊應(yīng)力，其中常規(guī)Boot電容boot的選擇需滿足

式中：為MOSFET門極電荷，本文設(shè)計高端三顆MOSFET選用INF BSC070N10NS3；為最小壓降，其中為驅(qū)動IC HB引腳電位，為驅(qū)動IC HS引腳電位；為MOSFET的閾值電壓；Vf為旁路二極管正向?qū)▔航怠１疚脑O(shè)計所選參數(shù)分別為，， ，。

式中：為驅(qū)動頻率；mosG為驅(qū)動MOSFET總門極電荷，本文設(shè)計高端驅(qū)動選用3顆INF BSC070N10NS3。

結(jié)合式（5）進(jìn)行理論計算，選用旁路輔助分流方案可有效降低IC內(nèi)部自舉二極管的Boot電流應(yīng)力，可實現(xiàn)預(yù)期方案要求，建議工程設(shè)計Layout布局時預(yù)留此位置，以滿足不同類型驅(qū)動IC的設(shè)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(fù)載模擬AI高算力時的惡劣負(fù)載條件，分別對旁路分流輔助二極管對半橋IC內(nèi)部二極管瞬態(tài)Boot電流的分流能力、IC溫升特性及整機(jī)老化穩(wěn)定性展開分析。

3.1 驅(qū)動IC內(nèi)部二極管Boot電流應(yīng)力

驅(qū)動IC 0至55A Boot電流對比如圖3所示，驅(qū)動IC 0至55A瞬態(tài)Boot電流對比如圖4所示，驅(qū)動IC軟啟動后穩(wěn)態(tài)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(qū)動IC集成二極管Boot電流對比見表1。

圖3 驅(qū)動IC 0至55A Boot電流對比

圖4 驅(qū)動IC 0至55A瞬態(tài)Boot電流對比

圖5 驅(qū)動IC軟啟動后穩(wěn)態(tài)55A Boot電流對比

表1 驅(qū)動IC集成二極管Boot電流對比

由上述實驗結(jié)果可知，無論在瞬態(tài)重載時，還是軟啟動穩(wěn)態(tài)后，在旁路輔助作用下，IC內(nèi)部二極管的瞬態(tài)Boot電流降低了58.95%，穩(wěn)態(tài)Boot電流有效控制在0.3A以下，旁路分流二極管可有效分擔(dān)IC內(nèi)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(zhǔn)確性。因使用的旁路分流二極管為肖特基二極管，反向恢復(fù)時間rr=5ns，因此反向恢復(fù)電流主要受IC內(nèi)部自舉二極管影響，此處改善不明顯，后續(xù)會針對此問題進(jìn)行深入研究。

3.2 驅(qū)動IC溫升對比

實際應(yīng)用中，損壞IC的因素不僅有電壓電流應(yīng)力，還包括溫升應(yīng)力。為驗證改進(jìn)后方案的溫升特性，在同等服務(wù)器高算力吃載工況下，環(huán)境溫度為28℃，檢測半橋IC的溫升。模擬惡劣工況10min驅(qū)動IC溫度對比如圖6所示。

圖6 模擬惡劣工況10min驅(qū)動IC溫度對比

通過圖6可明顯看出，優(yōu)化后驅(qū)動IC的溫升有明顯改善，在常溫25℃條件下，運(yùn)行穩(wěn)定后改進(jìn)前后的溫度相差2.62℃，進(jìn)一步驗證了本文方案的優(yōu)越性。

3.3 系統(tǒng)穩(wěn)定性對比

考慮到在惡劣工況下運(yùn)行時，原始方案會出現(xiàn)內(nèi)部集成二極管因連續(xù)高Boot電流沖擊而損壞，導(dǎo)致驅(qū)動IC發(fā)波異常，致使上下管共通，電源變壓器二次側(cè)短路，損壞開關(guān)管和驅(qū)動IC。驅(qū)動IC損壞驅(qū)動異?，F(xiàn)象如圖7所示。

圖7 驅(qū)動IC損壞驅(qū)動異常現(xiàn)象

從圖7可明顯看出，Boot電流異常時，驅(qū)動同步發(fā)生異常，多個周期發(fā)波后，集成二極管完全損壞，電源宕機(jī)，實測IC內(nèi)部自舉二極管開路。

為進(jìn)一步驗證優(yōu)化后線路在惡劣工況下的穩(wěn)定性，使用電子負(fù)載模擬AI服務(wù)器高算力條件下的吃載情況，在高溫55℃持續(xù)運(yùn)行30min。電子負(fù)載模擬惡劣算力負(fù)載電流如圖8所示。

圖8 電子負(fù)載模擬惡劣算力負(fù)載電流

選用CRPS 服務(wù)器電源，在高溫55℃持續(xù)運(yùn)行60min，檢測輸出電壓及負(fù)載波形，驗證二次側(cè)驅(qū)動在旁路分流輔助條件下的穩(wěn)定性。優(yōu)化方案55℃穩(wěn)定運(yùn)行60min實驗結(jié)果如圖9所示。

圖9 優(yōu)化方案55℃穩(wěn)定運(yùn)行60min實驗結(jié)果

結(jié)合實際工況，在高溫55℃條件下持續(xù)運(yùn)行60min，電源系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)一步驗證了分流輔助方案的可靠性，可有效降低IC內(nèi)部二極管的Boot電流應(yīng)力，同時在溫度特性方面更具優(yōu)勢。綜合上述實驗結(jié)果可知，旁路分流輔助方案在浮地驅(qū)動應(yīng)用中優(yōu)勢明顯，使開關(guān)電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性更佳。

4 結(jié)論

驅(qū)動IC在浮地驅(qū)動應(yīng)用中，集成自舉二極管的選型規(guī)格直接影響整個系統(tǒng)驅(qū)動的穩(wěn)定性。為保障電源產(chǎn)品在各種惡劣工況下的穩(wěn)定性，結(jié)合旁路分流輔助方案，可有效降低IC內(nèi)部二極管的Boot電流及反向恢復(fù)電流，在IC溫升應(yīng)力方面也更具優(yōu)勢，可進(jìn)一步提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保障服務(wù)器電源在惡劣算力工況下的穩(wěn)定性。因此，建議在進(jìn)行Layout設(shè)計時，預(yù)留旁路二極管位置，以滿足不同類型驅(qū)動IC的設(shè)計需求，降低設(shè)計風(fēng)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(wù)器電源開發(fā)工作。