在伺服器電源的浮地驅動應用中，驅動內建電路（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，持續高瞬态沖擊電流會造成IC内部自舉二極管燒壞開路，導緻驅動異常、電源損壞的問題，是以單純使用部分驅動IC在特殊工況下可能并不适用。
長城電源技術（深圳）有限公司的錢秋曉、郭睿、錢秋亮，在2024年第1期《電氣技術》上撰文，對人工智能（AI）伺服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。
人工智能（artificial intelligence, AI）伺服器對高功率密度的伺服器電源要求越來越嚴格，其中正常分立元件搭建的驅動已逐漸被高功率密度內建驅動所取代。在實際高算力條件下，适配的伺服器電源時常會在特殊工況下出現驅動異常，導緻系統故障。
本文對AI伺服器在惡劣工況下工作時，造成配套服務電源的浮地驅動內建電路（integrated circuit, IC）異常問題進行分析，提出一種備用旁路分流輔助二極管線路，降低IC内部二極管的Boot電流（瞬态沖擊和反向恢複電流）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內建自舉線路分析
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内部一般會內建自舉二極管，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。半橋驅動IC内部邏輯及應用推薦線路如圖1所示。
圖1 半橋驅動IC内部邏輯及應用推薦線路
在驅動線路正常工作時，該線路有以下兩種工作狀态：
式（1）~式（2）
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内部二極管因連續較大的Boot電流而損壞，導緻驅動異常後電源系統當機。
2 旁路分流輔助優化方案
半橋驅動IC内部內建的自舉二極管參數在設計規格書中的描述很少，導緻所設計的産品可能存在風險隐患，而工程設計生産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，是以如何選取合适的驅動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，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内部二極管驅動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，使電源更加适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。
圖2 驅動IC旁路分流輔助方案
相比于原始應用方案，外并旁路分流二極管可進一步降低内部二極管的電流沖擊應力，其中正常Boot電容Cboot的選擇需滿足
式（3）~式（5）
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内部自舉二極管的Boot電流應力，可實作預期方案要求，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電子負載模拟AI高算力時的惡劣負載條件，分别對旁路分流輔助二極管對半橋IC内部二極管瞬态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内部二極管Boot電流應力
為驗證優化方案可有效減小内部內建二極管的瞬态Boot電流應力，實驗通過對CRPS3000（common redundant power supplies 3000）伺服器電源瞬時加重載，檢測分析并對比内部內建二極管瞬态Boot電流大小。其中，負載配置為，電流上升斜率為2.5μs/A。
驅動IC 0至55A Boot電流對比如圖3所示，驅動IC 0至55A瞬态Boot電流對比如圖4所示，驅動IC軟啟動後穩态55A Boot電流對比如圖5所示，圖中Ch2表示改前Boot電流波形，Ref1表示加入旁路分流後Boot電流波形，Ch4表示輸出電流波形。驅動IC內建二極管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瞬态Boot電流對比
圖5 驅動IC軟啟動後穩态55A Boot電流對比
表1 驅動IC內建二極管Boot電流對比
由上述實驗結果可知，無論在瞬态重載時，還是軟啟動穩态後，在旁路輔助作用下，IC内部二極管的瞬态Boot電流降低了58.95%，穩态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内部自舉二極管的Boot電流，且與理論計算基本吻合，證明了理論分析的準确性。因使用的旁路分流二極管為肖特基二極管，反向恢複時間trr=5ns，是以反向恢複電流主要受IC内部自舉二極管影響，此處改善不明顯，後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。為驗證改進後方案的溫升特性，在同等伺服器高算力吃載工況下，環境溫度為28℃，檢測半橋IC的溫升。模拟惡劣工況10min驅動IC溫度對比如圖6所示。
圖6 模拟惡劣工況10min驅動IC溫度對比
通過圖6可明顯看出，優化後驅動IC的溫升有明顯改善，在常溫25℃條件下，運作穩定後改進前後的溫度相差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作時，原始方案會出現内部內建二極管因連續高Boot電流沖擊而損壞，導緻驅動IC發波異常，緻使上下管共通，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，多個周期發波後，內建二極管完全損壞，電源當機，實測IC内部自舉二極管開路。
為進一步驗證優化後線路在惡劣工況下的穩定性，使用電子負載模拟AI伺服器高算力條件下的吃載情況，在高溫55℃持續運作30min。電子負載模拟惡劣算力負載電流如圖8所示。
圖8 電子負載模拟惡劣算力負載電流
選用CRPS 伺服器電源，在高溫55℃持續運作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℃穩定運作60min實驗結果如圖9所示。
圖9 優化方案55℃穩定運作60min實驗結果
結合實際工況，在高溫55℃條件下持續運作60min，電源系統穩定運作，進一步驗證了分流輔助方案的可靠性，可有效降低IC内部二極管的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，內建自舉二極管的選型規格直接影響整個系統驅動的穩定性。為保障電源産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内部二極管的Boot電流及反向恢複電流，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，保障伺服器電源在惡劣算力工況下的穩定性。是以，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。
本工作成果發表在2024年第1期《電氣技術》，論文标題為“內建自舉驅動的旁路分流輔助方案”，作者為錢秋曉、郭睿、錢秋亮。