长城电源技术（深圳）公司钱秋晓、郭睿 等：集成自举驱动的旁路分流辅助方案

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在服务器电源的浮地驱动应用中，驱动集成电路（IC）基本取代了分立器件搭建的驱动线路。在特殊工况下对IC进行替代实验发现，持续高瞬态冲击电流会造成IC内部自举二极管烧坏开路，导致驱动异常、电源损坏的问题，因此单纯使用部分驱动IC在特殊工况下可能并不适用。 长城电源技术（深圳）有限公司的钱秋晓、郭睿、钱秋亮，在2024年第1期《电气技术》上撰文，对人工智能（AI）服务器电源在恶劣工况下的驱动IC异常问题进行分析，在驱动IC的基础上增加旁路分流辅助二极管线路，保障多种类驱动IC在恶劣工况下的正常工作，进一步提升了系统的整体稳定性和物料替代的多样性。

人工智能（artificial intelligence, AI）服务器对高功率密度的服务器电源要求越来越严格，其中常规分立元件搭建的驱动已逐步被高功率密度集成驱动所取代。在实际高算力条件下，适配的服务器电源时常会在特殊工况下出现驱动异常，导致系统故障。

本文对AI服务器在恶劣工况下工作时，造成配套服务电源的浮地驱动集成电路（integrated circuit, IC）异常问题进行分析，提出一种备用旁路分流辅助二极管线路，降低IC内部二极管的Boot电流（瞬态冲击和反向恢复电流）应力和热应力，以提高恶劣工况下驱动IC的稳定性，保障电源系统的整体稳定性。

1 浮地半桥驱动IC集成自举线路分析

半桥驱动IC广泛应用于浮地驱动场合，因高功率密度要求，驱动IC内部一般会集成自举二极管，同时其应用外围电路的设计也更为简洁，广泛用于高功率密度开关电源的开发设计中。半桥驱动IC内部逻辑及应用推荐线路如图1所示。

图1 半桥驱动IC内部逻辑及应用推荐线路

在驱动线路正常工作时，该线路有以下两种工作状态：

式（1）~式（2）

实际应用中，为提高电路在高频驱动下的响应速度，Boot电阻阻值较小，在特殊工况条件下，极易出现IC内部二极管因连续较大的Boot电流而损坏，导致驱动异常后电源系统宕机。

2 旁路分流辅助优化方案

半桥驱动IC内部集成的自举二极管参数在设计规格书中的描述很少，导致所设计的产品可能存在风险隐患，而工程设计生产中需要尽可能避免单一物料的出现，对物料可替代性的要求也越来越高，因此如何选取合适的驱动IC及其替代物料成为工程设计中的技术难点。

本文以高功率开关电源半桥驱动设计为背景，为进一步提高驱动IC在工程应用中的稳定性和可替代性，结合理论计算与设计，外加旁路分流辅助二极管备用线路来分担IC内部二极管驱动Boot电流的冲击应力，保障驱动IC的稳定性，提高电源系统的可靠性，使电源更加适应服务系统的恶劣工况。驱动IC旁路分流辅助方案如图2所示。

图2 驱动IC旁路分流辅助方案

相比于原始应用方案，外并旁路分流二极管可进一步降低内部二极管的电流冲击应力，其中常规Boot电容Cboot的选择需满足

式（3）~式（5）

结合式（5）进行理论计算，选用旁路辅助分流方案可有效降低IC内部自举二极管的Boot电流应力，可实现预期方案要求，建议工程设计Layout布局时预留此位置，以满足不同类型驱动IC的设计需求。

3 方案验证及实验对比

为验证旁路分流辅助方案的有效性，本文通过Chrom电子负载模拟AI高算力时的恶劣负载条件，分别对旁路分流辅助二极管对半桥IC内部二极管瞬态Boot电流的分流能力、IC温升特性及整机老化稳定性展开分析。

3.1 驱动IC内部二极管Boot电流应力

为验证优化方案可有效减小内部集成二极管的瞬态Boot电流应力，实验通过对CRPS3000（common redundant power supplies 3000）服务器电源瞬时加重载，检测分析并对比内部集成二极管瞬态Boot电流大小。其中，负载配置为，电流上升斜率为2.5μs/A。

驱动IC 0至55A Boot电流对比如图3所示，驱动IC 0至55A瞬态Boot电流对比如图4所示，驱动IC软启动后稳态55A Boot电流对比如图5所示，图中Ch2表示改前Boot电流波形，Ref1表示加入旁路分流后Boot电流波形，Ch4表示输出电流波形。驱动IC集成二极管Boot电流对比见表1。

图3 驱动IC 0至55A Boot电流对比

图4 驱动IC 0至55A瞬态Boot电流对比

图5 驱动IC软启动后稳态55A Boot电流对比

表1 驱动IC集成二极管Boot电流对比

由上述实验结果可知，无论在瞬态重载时，还是软启动稳态后，在旁路辅助作用下，IC内部二极管的瞬态Boot电流降低了58.95%，稳态Boot电流有效控制在0.3A以下，旁路分流二极管可有效分担IC内部自举二极管的Boot电流，且与理论计算基本吻合，证明了理论分析的准确性。因使用的旁路分流二极管为肖特基二极管，反向恢复时间trr=5ns，因此反向恢复电流主要受IC内部自举二极管影响，此处改善不明显，后续会针对此问题进行深入研究。

3.2 驱动IC温升对比

实际应用中，损坏IC的因素不仅有电压电流应力，还包括温升应力。为验证改进后方案的温升特性，在同等服务器高算力吃载工况下，环境温度为28℃，检测半桥IC的温升。模拟恶劣工况10min驱动IC温度对比如图6所示。

图6 模拟恶劣工况10min驱动IC温度对比

通过图6可明显看出，优化后驱动IC的温升有明显改善，在常温25℃条件下，运行稳定后改进前后的温度相差2.62℃，进一步验证了本文方案的优越性。

3.3 系统稳定性对比

考虑到在恶劣工况下运行时，原始方案会出现内部集成二极管因连续高Boot电流冲击而损坏，导致驱动IC发波异常，致使上下管共通，电源变压器二次侧短路，损坏开关管和驱动IC。驱动IC损坏驱动异常现象如图7所示。

图7 驱动IC损坏驱动异常现象

从图7可明显看出，Boot电流异常时，驱动同步发生异常，多个周期发波后，集成二极管完全损坏，电源宕机，实测IC内部自举二极管开路。

为进一步验证优化后线路在恶劣工况下的稳定性，使用电子负载模拟AI服务器高算力条件下的吃载情况，在高温55℃持续运行30min。电子负载模拟恶劣算力负载电流如图8所示。

图8 电子负载模拟恶劣算力负载电流

选用CRPS 服务器电源，在高温55℃持续运行60min，检测输出电压及负载波形，验证二次侧驱动在旁路分流辅助条件下的稳定性。优化方案55℃稳定运行60min实验结果如图9所示。

图9 优化方案55℃稳定运行60min实验结果

结合实际工况，在高温55℃条件下持续运行60min，电源系统稳定运行，进一步验证了分流辅助方案的可靠性，可有效降低IC内部二极管的Boot电流应力，同时在温度特性方面更具优势。综合上述实验结果可知，旁路分流辅助方案在浮地驱动应用中优势明显，使开关电源系统的稳定性更佳。

4 结论

驱动IC在浮地驱动应用中，集成自举二极管的选型规格直接影响整个系统驱动的稳定性。为保障电源产品在各种恶劣工况下的稳定性，结合旁路分流辅助方案，可有效降低IC内部二极管的Boot电流及反向恢复电流，在IC温升应力方面也更具优势，可进一步提高整个系统的稳定性，保障服务器电源在恶劣算力工况下的稳定性。因此，建议在进行Layout设计时，预留旁路二极管位置，以满足不同类型驱动IC的设计需求，降低设计风险。

本工作成果发表在2024年第1期《电气技术》，论文标题为“集成自举驱动的旁路分流辅助方案”，作者为钱秋晓、郭睿、钱秋亮。

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