|
提到硬盤(pán)供電，固態(tài)硬盤(pán)（SSD）設計師們面臨許多相互矛盾的要求。首先是電源的尺寸，其不能增加SSD的體積系數，因為SSD通常必須在體積上與其所替換的機械硬盤(pán)（HDD）相兼容。其次是不斷增長(cháng)的系統效率要求，包括待機模式（SSD無(wú)讀寫(xiě)操作）和最大功率模式（以最高性能進(jìn)行讀寫(xiě)操作）。這些效率通常都有具體的SSD認證，例如：能源之星等，其對于市場(chǎng)接受度來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。最后一個(gè)問(wèn)題是電源如何對終端用戶(hù)不斷變化的需求做出響應。從閑置狀態(tài)轉到高性能狀態(tài)時(shí)，電源能夠做出足夠快的響應來(lái)向SSD提供強大的電力嗎？或者，如果主機突然對SSD進(jìn)行高速或大數據量讀寫(xiě)操作時(shí)，SSD會(huì )“掛起”嗎？本文將對三種SSD電源解決方案進(jìn)行分析，測量并對比它們的尺寸、效率和響應時(shí)間，以獲得最佳SSD電源解決方案。 固態(tài)硬盤(pán)架構 圖1顯示了某臺服務(wù)器中安裝的SSD系統的示例圖。一條12V總線(xiàn)為開(kāi)關(guān)式電源（SMPS）供電，其向SSD提供3.3V的電壓。NAND閃存用作內存，原因是其成本低，且擁有斷電存儲數據的能力。一個(gè)ASIC或者其它處理器與主機通信，并管理數據流。2.5V和1.8V為ASIC的一般需求。 
圖1：固態(tài)硬盤(pán)電源系統 首先，SMPS必須為一個(gè)同步降壓轉換器，而非一個(gè)線(xiàn)性調節器或者異步降壓轉換器，以在強負載電流下提供高效率。其次，它還必須具備省電模式，目的是將效率保持在最小值以上（即使SSD處于閑置狀態(tài)）。第三，它必須通過(guò)中壓、12V輸入總線(xiàn)來(lái)工作，并提供低至1.8V甚至更低的輸出電壓，具體取決于A(yíng)SIC的需要。最后，SMPS應優(yōu)化其尺寸、效率和響應時(shí)間，以滿(mǎn)足SSD系統的需要。 尺寸 隨著(zhù)SSD開(kāi)始逐漸獲得市場(chǎng)的認可，要求它們在尺寸和功能方面向后兼容機械硬盤(pán)。當用戶(hù)的機械硬盤(pán)出現故障時(shí)（有時(shí)可能使用不能一年的時(shí)間），SSD便成為一種高可靠性的替代選擇。用戶(hù)只需訂購一塊尺寸與故障的機械硬盤(pán)相同的SSD，個(gè)人計算機或者服務(wù)器的可靠性便可立即獲得升級。 隨著(zhù)SSD價(jià)格的不斷下跌，它們不再僅僅只是壽命到期的機械硬盤(pán)的替代品�，F在，SSD正進(jìn)入高可靠性市場(chǎng)領(lǐng)域，例如：企業(yè)服務(wù)器和筆記本電腦等消費類(lèi)應用。對于這應用而言，小型化很重要，SSD的尺寸不再必須完全與機械硬盤(pán)一樣。 不管是哪種情況，就SSD而言，解決方案的尺寸足夠小都是一大賣(mài)點(diǎn)。盡管并非SSD中最大的子系統，但是電源仍然占用了大量的電路板空間，因為SSD電路由數個(gè)單獨的SMPS供電。要求使用的傳統長(cháng)型電感達到了Z向制作（Z-direction-making）尺寸的極限（一種三維問(wèn)題）。 效率 服務(wù)器的一個(gè)重要的開(kāi)銷(xiāo)成本是其功耗。它包括驅動(dòng)器（硬盤(pán)）消耗的功率，以及為了保持服務(wù)器機房適宜溫度進(jìn)行散熱處理而消耗的電力。隨著(zhù)電力價(jià)格的不斷上漲以及對于“綠色”運行的重視，對SSD的能效提出了越來(lái)越高的要求。 在筆記本電腦方面，更加高效的SSD可以帶來(lái)更長(cháng)的電池使用時(shí)間和更低的機體溫度。而這兩方面都是十分理想的賣(mài)點(diǎn)，最終用戶(hù)易于理解，同時(shí)也愿意為它們掏腰包。特別是筆記本電腦，其閑置時(shí)SSD的功耗和效率至關(guān)重要，因為這些參數會(huì )極大影響電池的使用時(shí)間。相比機械硬盤(pán)系統，SSD的電池使用時(shí)間更長(cháng)，筆記本電腦的發(fā)熱更小，并且硬盤(pán)的故障率更低。 響應時(shí)間 即使設備閑置時(shí)的功耗很低且效率很高，那么，當服務(wù)器或者筆記本電腦喚醒并對SSD進(jìn)行讀寫(xiě)操作時(shí)，情況又如何呢？由于電源電壓下降，電源能夠足夠快速地從閑置狀態(tài)轉到全功率運行狀態(tài)，從而避免出現SSD重置嗎？ 對SMPS設計師來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)非常棘手的設計挑戰。一方面，SMPS應接近斷電狀態(tài)，工作的電路數量應盡可能地少，以便讓設備閑置模式下的功耗降至最低。另一方面，SMPS電路應偏置，并準備好對用戶(hù)的SSD讀寫(xiě)操作做出快速響應。這種相互矛盾的要求，需要進(jìn)行謹慎的平衡處理和折中研究。專(zhuān)為滿(mǎn)足SSD要求而設計的IC可以提供最佳的解決方案。 三種SSD電源解決方案 我們重點(diǎn)介紹使用3.3V電壓驅動(dòng)NAND閃存的SMPS，并兼顧SSD的其它電源需求。我們分析，共有三種電源解決方案可適用于各種SSD，其分別為：全功能解決方案、最小體積解決方案和高效率專(zhuān)用解決方案。為了評估每種解決方案的響應時(shí)間，我們使用10 mA到1 A的負載電流步進(jìn)，而這也是SSD從閑置狀態(tài)到接受讀寫(xiě)操作時(shí)的典型負載電流。 一種SSD應用要求非常嚴格的電磁干擾（EMI）控制和極低的輻射。它可能用于醫院或者飛機環(huán)境。這種環(huán)境下，無(wú)數設備通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式傳輸數據，并產(chǎn)生各種頻率的電磁干擾。對于這類(lèi)應用，SSD應嚴控其開(kāi)關(guān)頻率，以將輻射控制在某個(gè)窄帶范圍內，從而更容易地控制、降低或者消除它們。這種電源解決方案被稱(chēng)作全功能解決方案，因為它包含有復雜的功能，而這種功能在大多數SSD應用中卻是不必要的。TPS62110便是這種全功能解決方案的一個(gè)例子，其效率特征如圖2所示，響應時(shí)間如圖3所示。這種全功能解決方案的尺寸約為175 mm2，但由于要求的電感相對較大，因此其最大元件高度為3.2mm。
圖2：全功能SSD電源解決方案效率。
圖3：全功能SSD電源解決方案響應時(shí)間。 第二種SSD應用要求的整體解決方案尺寸最小。它可以應用于高性能筆記本電腦，或者匹配特殊機械硬盤(pán)的體積尺寸。為了實(shí)現小尺寸，我們需要一種SSD優(yōu)化電源解決方案。這種解決方案增加開(kāi)關(guān)頻率來(lái)讓輸出濾波器更加小型化，并將功能減少至最低要求。TPS62140同時(shí)達到了這兩個(gè)目標，并支持僅74 mm2的解決方案尺寸，且擁有2mm的最大高度。圖4－5顯示了這種解決方案的效率和響應時(shí)間。
圖4：最小尺寸SSD電源解決方案效率。
圖5：最小尺寸SSD電源解決方案響應時(shí)間。 第三種SSD電源解決方案要求在全部負載范圍均擁有最高的效率。在服務(wù)器環(huán)境下，這種要求極為重要，因為這種使用環(huán)境的散熱和電力成本開(kāi)銷(xiāo)是一個(gè)大問(wèn)題，但卻可以使用稍大尺寸的解決方案。幸運的是，最小尺寸電源解決方案包含有一種功能，其選擇器件的開(kāi)關(guān)頻率來(lái)實(shí)現最小解決方案尺寸或者最高效率。如果以最高開(kāi)關(guān)頻率工作（同第二個(gè)例子一樣），解決方案尺寸絕對的最小。但是，功率級的開(kāi)關(guān)損耗會(huì )因高工作頻率而增加，導致效率降低。如果工作在最高效率模式下，則解決方案尺寸變?yōu)?5 mm2，最大高度為1.4 mm。圖6－7顯示了這種最高效率解決方案的效率和響應時(shí)間。
圖6：最高效率SSD電源解決方案的效率情況。
圖7：最高效率SSD電源解決方案的響應時(shí)間情況。 圖8和表1顯示了這三種解決方案的對比情況：
圖8：全功能、最小尺寸和最高效率解決方案的效率對比。
表1：全功能、最小尺寸和最高效率解決方案的性能對比。 這三種SSD電源解決方案具有截然不同、明顯的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。全功能解決方案可嚴格控制電磁干擾，其為某些應用的基本要求。另外，它還具有較高的效率，特別是在負載電流更強時(shí)。但是，當負載減小時(shí)效率逐漸降低，并且解決方案尺寸（面積）和高度比其它兩種解決方案要大。在有嚴格EMI規定或者輻射要求的應用中，或者在不要求小尺寸的情況下，它是一種完全可以接受的解決方案。 最后兩種解決方案經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，可以實(shí)現最高性能的SSD系統。相比全功能解決方案，最小尺寸解決方案和最高效率解決方案的響應時(shí)間更短、電壓更低。這讓主機ASIC可以在沒(méi)有SMPS輸出電壓的情況下更快地啟動(dòng)SSD，并且更加迅速地對其進(jìn)行讀寫(xiě)操作，從而留出調整窗口，觸發(fā)系統重置。在這兩種解決方案中，對于要求絕對最小解決方案尺寸的SSD而言，最小尺寸解決方案為理想選擇。這樣，可以為SSD系統的其它元件留出最大的面積，可帶來(lái)更大存儲容量的SSD。如果可以使用稍大尺寸的SMPS解決方案，則最高效率解決方案可實(shí)現比全功能解決方案更高的效率，同時(shí)僅占用其一半的面積。強負載電流下，它的效率不受SMPS本身的限制，但卻受限于所選擇的電感（例如：Coilcraft LPS4414-332）。更大負載時(shí)，電阻損耗（電感DCR和MOSFET Rds-on）超過(guò)了頻率依賴(lài)型損耗。因此，隨著(zhù)負載增加，低開(kāi)關(guān)頻率工作的效率優(yōu)勢被削弱。使用更低DCR的大尺寸電感時(shí)，最高效率解決方案的效率在整個(gè)負載范圍都超過(guò)了全功能解決方案的效率。同第三個(gè)例子一樣，它在大負載條件下的效率與全功能解決方案相當，但解決方案尺寸和高度卻僅為其一半。 SSD設計師們面對的一個(gè)終極挑戰是為不同容量的SSD設計電源，其要求電流大小隨容量變化而不同。如果某個(gè)SSD僅需要500mA電流，則3A的SSD電源就超出了設計需要，并且成本也過(guò)高。不同容量的SSD需要使用一種可調型電源，從而實(shí)現設計重用，并降低全新SMPS設計相關(guān)的NRE成本。幸運的是，最小尺寸解決方案和最高效率解決方案所使用的SMPS IC，均可以與高低負載電流版本實(shí)現針腳對針腳的兼容。在設計更小容量的SSD時(shí)，可以使用小電流SMPS IC，以達到降低材料清單成本的目的。同樣，使用大電流SMPS集成電路版本，可馬上增加SMPS的輸出電流能力，以為更大容量的SSD供電。 結論 在確定電源時(shí)，固態(tài)硬盤(pán)系統設計師需要謹慎考慮其設計目標。SSD是否會(huì )被用于高度穩定、對電磁干擾敏感的環(huán)境（例如：醫院等）？是否需要SSD完全匹配機械硬盤(pán)的體積因數和尺寸，從而達到直接替換掉機械硬盤(pán)的目的？SSD是否會(huì )被用于服務(wù)器機房，并且那里的電價(jià)不斷飆升？我們必須根據這些考慮因素（電磁干擾、尺寸和效率），在三種不同類(lèi)型的優(yōu)化版SSD電源解決方案之間進(jìn)行平衡與折中。在考慮到這些設計目標之后，最佳的開(kāi)關(guān)式電源可使固態(tài)硬盤(pán)獲得最高的性能，并滿(mǎn)足許多應用的需求。 參考文獻 請下載產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)副本：TPS62110、TPS62140、TPS62130 和 TPS62150。 作者簡(jiǎn)介 Christopher James Glaser 現任 TI 電池電源產(chǎn)品部應用工程師，主要負責客戶(hù)支持、評估板 (EVM) 設計、應用手冊撰寫(xiě)、對現場(chǎng)工程師和客戶(hù)進(jìn)行培訓、提供技術(shù)服務(wù)以使TI 部件更易使用。他畢業(yè)于德州A&M大學(xué) (Texas A&M, College Station, Texas)，獲電子工程理學(xué)士學(xué)位。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||
