集成自舉驅(qū)動(dòng)的旁路分流輔助方案

錢(qián)秋曉 郭 睿 錢(qián)秋亮

集成自舉驅(qū)動(dòng)的旁路分流輔助方案

錢(qián)秋曉 郭 睿 錢(qián)秋亮

（長(zhǎng)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(dòng)應(yīng)用中，驅(qū)動(dòng)集成電路（IC）基本取代了分立器件搭建的驅(qū)動(dòng)線路。在特殊工況下對(duì)IC進(jìn)行替代實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，持續(xù)高瞬態(tài)沖擊電流會(huì)造成IC內(nèi)部自舉二極管燒壞開(kāi)路，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)異常、電源損壞的問(wèn)題，因此單純使用部分驅(qū)動(dòng)IC在特殊工況下可能并不適用。本文對(duì)人工智能（AI）服務(wù)器電源在惡劣工況下的驅(qū)動(dòng)IC異常問(wèn)題進(jìn)行分析，在驅(qū)動(dòng)IC的基礎(chǔ)上增加旁路分流輔助二極管線路，保障多種類(lèi)驅(qū)動(dòng)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(dòng)；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(duì)高功率密度的服務(wù)器電源要求越來(lái)越嚴(yán)格[1-3]，其中常規(guī)分立元件搭建的驅(qū)動(dòng)已逐步被高功率密度集成驅(qū)動(dòng)所取代[4-5]。在實(shí)際高算力條件下，適配的服務(wù)器電源時(shí)常會(huì)在特殊工況下出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)異常，導(dǎo)致系統(tǒng)故障。

本文對(duì)AI服務(wù)器在惡劣工況下工作時(shí)，造成配套服務(wù)電源的浮地驅(qū)動(dòng)集成電路（integrated circuit, IC）異常問(wèn)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(dòng)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(dòng)IC集成自舉線路分析

半橋驅(qū)動(dòng)IC廣泛應(yīng)用于浮地驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合，因高功率密度要求，驅(qū)動(dòng)IC內(nèi)部一般會(huì)集成自舉二極管，同時(shí)其應(yīng)用外圍電路的設(shè)計(jì)也更為簡(jiǎn)潔，廣泛用于高功率密度開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中[9-11]。半橋驅(qū)動(dòng)IC內(nèi)部邏輯及應(yīng)用推薦線路如圖1所示。

在驅(qū)動(dòng)線路正常工作時(shí)，該線路有以下兩種工作狀態(tài)：

1）下管驅(qū)動(dòng)打開(kāi)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(mǎn)足

圖1 半橋驅(qū)動(dòng)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(shí)，上管驅(qū)動(dòng)電壓被抬高，滿(mǎn)足

式中，H為開(kāi)關(guān)管上管電壓。

實(shí)際應(yīng)用中，為提高電路在高頻驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)IC內(nèi)部集成的自舉二極管參數(shù)在設(shè)計(jì)規(guī)格書(shū)中的描述很少，導(dǎo)致所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品可能存在風(fēng)險(xiǎn)隱患，而工程設(shè)計(jì)生產(chǎn)中需要盡可能避免單一物料的出現(xiàn)，對(duì)物料可替代性的要求也越來(lái)越高，因此如何選取合適的驅(qū)動(dòng)IC及其替代物料成為工程設(shè)計(jì)中的技術(shù)難點(diǎn)。本文以高功率開(kāi)關(guān)電源半橋驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)為背景[12-13]，為進(jìn)一步提高驅(qū)動(dòng)IC在工程應(yīng)用中的穩(wěn)定性和可替代性，結(jié)合理論計(jì)算與設(shè)計(jì)，外加旁路分流輔助二極管備用線路來(lái)分擔(dān)IC內(nèi)部二極管驅(qū)動(dòng)Boot電流的沖擊應(yīng)力，保障驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(mǎn)足

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

式中：為驅(qū)動(dòng)頻率；mosG為驅(qū)動(dòng)MOSFET總門(mén)極電荷，本文設(shè)計(jì)高端驅(qū)動(dòng)選用3顆INF BSC070N10NS3。

結(jié)合式（5）進(jìn)行理論計(jì)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(shí)現(xiàn)預(yù)期方案要求，建議工程設(shè)計(jì)Layout布局時(shí)預(yù)留此位置，以滿(mǎn)足不同類(lèi)型驅(qū)動(dòng)IC的設(shè)計(jì)需求。

3 方案驗(yàn)證及實(shí)驗(yàn)對(duì)比

為驗(yàn)證旁路分流輔助方案的有效性，本文通過(guò)Chrom電子負(fù)載模擬AI高算力時(shí)的惡劣負(fù)載條件，分別對(duì)旁路分流輔助二極管對(duì)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(kāi)分析。

3.1 驅(qū)動(dòng)IC內(nèi)部二極管Boot電流應(yīng)力

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

圖3 驅(qū)動(dòng)IC 0至55A Boot電流對(duì)比

圖4 驅(qū)動(dòng)IC 0至55A瞬態(tài)Boot電流對(duì)比

圖5 驅(qū)動(dòng)IC軟啟動(dòng)后穩(wěn)態(tài)55A Boot電流對(duì)比

表1 驅(qū)動(dòng)IC集成二極管Boot電流對(duì)比

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，無(wú)論在瞬態(tài)重載時(shí)，還是軟啟動(dòng)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(jì)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(shí)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(huì)針對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行深入研究。

3.2 驅(qū)動(dòng)IC溫升對(duì)比

實(shí)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(yàn)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(cè)半橋IC的溫升。模擬惡劣工況10min驅(qū)動(dòng)IC溫度對(duì)比如圖6所示。

圖6 模擬惡劣工況10min驅(qū)動(dòng)IC溫度對(duì)比

通過(guò)圖6可明顯看出，優(yōu)化后驅(qū)動(dòng)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(yàn)證了本文方案的優(yōu)越性。

3.3 系統(tǒng)穩(wěn)定性對(duì)比

考慮到在惡劣工況下運(yùn)行時(shí)，原始方案會(huì)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(dòng)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(kāi)關(guān)管和驅(qū)動(dòng)IC。驅(qū)動(dòng)IC損壞驅(qū)動(dòng)異?，F(xiàn)象如圖7所示。

圖7 驅(qū)動(dòng)IC損壞驅(qū)動(dòng)異常現(xiàn)象

從圖7可明顯看出，Boot電流異常時(shí)，驅(qū)動(dòng)同步發(fā)生異常，多個(gè)周期發(fā)波后，集成二極管完全損壞，電源宕機(jī)，實(shí)測(cè)IC內(nèi)部自舉二極管開(kāi)路。

為進(jìn)一步驗(yàn)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(cè)輸出電壓及負(fù)載波形，驗(yàn)證二次側(cè)驅(qū)動(dòng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 優(yōu)化方案55℃穩(wěn)定運(yùn)行60min實(shí)驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合實(shí)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(yàn)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(shí)在溫度特性方面更具優(yōu)勢(shì)。綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，旁路分流輔助方案在浮地驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中優(yōu)勢(shì)明顯，使開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性更佳。

4 結(jié)論

驅(qū)動(dòng)IC在浮地驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，集成自舉二極管的選型規(guī)格直接影響整個(gè)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)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(shì)，可進(jìn)一步提高整個(gè)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(jì)時(shí)，預(yù)留旁路二極管位置，以滿(mǎn)足不同類(lèi)型驅(qū)動(dòng)IC的設(shè)計(jì)需求，降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。

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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(qián)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(kāi)發(fā)工作。