固態(tài)硬盤電源架構(gòu)優(yōu)化

提到硬盤供電，固態(tài)硬盤(SSD)設(shè)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(shù)，因為SSD通常必須在體積上與其所替換的機(jī)械硬盤(HDD)相兼容。其次是不斷增長的系統(tǒng)效率要求，包括待機(jī)模式(SSD無讀寫操作)和最大功率模式(以最高性能進(jìn)行讀寫操作)。這些效率通常都有具體的SSD認(rèn)證，例如：能源之星等，其對于市場接受度來說至關(guān)重要。最后一個問題是電源如何對終端用戶不斷變化的需求做出響應(yīng)。從閑置狀態(tài)轉(zhuǎn)到高性能狀態(tài)時，電源能夠做出足夠快的響應(yīng)來向SSD提供強(qiáng)大的電力嗎?或者，如果主機(jī)突然對SSD進(jìn)行高速或大數(shù)據(jù)量讀寫操作時，SSD會“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(yīng)時間，以獲得最佳SSD電源解決方案。

固態(tài)硬盤架構(gòu)

圖1顯示了某臺服務(wù)器中安裝的SSD系統(tǒng)的示例圖。一條12V總線為開關(guān)式電源(SMPS)供電，其向SSD提供3.3V的電壓。NAND閃存用作內(nèi)存，原因是其成本低，且擁有斷電存儲數(shù)據(jù)的能力。一個ASIC或者其它處理器與主機(jī)通信，并管理數(shù)據(jù)流。2.5V和1.8V為ASIC的一般需求。

圖1：固態(tài)硬盤電源系統(tǒng)

首先，SMPS必須為一個同步降壓轉(zhuǎn)換器，而非一個線性調(diào)節(jié)器或者異步降壓轉(zhuǎn)換器，以在強(qiáng)負(fù)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，它必須通過中壓、12V輸入總線來工作，并提供低至1.8V甚至更低的輸出電壓，具體取決于ASIC的需要。最后，SMPS應(yīng)優(yōu)化其尺寸、效率和響應(yīng)時間，以滿足SSD系統(tǒng)的需要。

尺寸

隨著SSD開始逐漸獲得市場的認(rèn)可，要求它們在尺寸和功能方面向后兼容機(jī)械硬盤。當(dāng)用戶的機(jī)械硬盤出現(xiàn)故障時(有時可能使用不能一年的時間)，SSD便成為一種高可靠性的替代選擇。用戶只需訂購一塊尺寸與故障的機(jī)械硬盤相同的SSD，個人計算機(jī)或者服務(wù)器的可靠性便可立即獲得升級。

隨著SSD價格的不斷下跌，它們不再僅僅只是壽命到期的機(jī)械硬盤的替代品。現(xiàn)在，SSD正進(jìn)入高可靠性市場領(lǐng)域，例如：企業(yè)服務(wù)器和筆記本電腦等消費類應(yīng)用。對于這應(yīng)用而言，小型化很重要，SSD的尺寸不再必須完全與機(jī)械硬盤一樣。

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點。盡管并非SSD中最大的子系統(tǒng)，但是電源仍然占用了大量的電路板空間，因為SSD電路由數(shù)個單獨的SMPS供電。要求使用的傳統(tǒng)長型電感達(dá)到了Z向制作(Z-direction-making)尺寸的極限(一種三維問題)。

效率

服務(wù)器的一個重要的開銷成本是其功耗。它包括驅(qū)動器(硬盤)消耗的功率，以及為了保持服務(wù)器機(jī)房適宜溫度進(jìn)行散熱處理而消耗的電力。隨著電力價格的不斷上漲以及對于“綠色”運行的重視，對SSD的能效提出了越來越高的要求。

在筆記本電腦方面，更加高效的SSD可以帶來更長的電池使用時間和更低的機(jī)體溫度。而這兩方面都是十分理想的賣點，最終用戶易于理解，同時也愿意為它們掏腰包。特別是筆記本電腦，其閑置時SSD的功耗和效率至關(guān)重要，因為這些參數(shù)會極大影響電池的使用時間。相比機(jī)械硬盤系統(tǒng)，SSD的電池使用時間更長，筆記本電腦的發(fā)熱更小，并且硬盤的故障率更低。

響應(yīng)時間

即使設(shè)備閑置時的功耗很低且效率很高，那么，當(dāng)服務(wù)器或者筆記本電腦喚醒并對SSD進(jìn)行讀寫操作時，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(zhuǎn)到全功率運行狀態(tài)，從而避免出現(xiàn)SSD重置嗎?

對SMPS設(shè)計師來說，這是一個非常棘手的設(shè)計挑戰(zhàn)。一方面，SMPS應(yīng)接近斷電狀態(tài)，工作的電路數(shù)量應(yīng)盡可能地少，以便讓設(shè)備閑置模式下的功耗降至最低。另一方面，SMPS電路應(yīng)偏置，并準(zhǔn)備好對用戶的SSD讀寫操作做出快速響應(yīng)。這種相互矛盾的要求，需要進(jìn)行謹(jǐn)慎的平衡處理和折中研究。專為滿足SSD要求而設(shè)計的IC可以提供最佳的解決方案。

三種SSD電源解決方案

我們重點介紹使用3.3V電壓驅(qū)動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用解決方案。為了評估每種解決方案的響應(yīng)時間，我們使用10 mA到1 A的負(fù)載電流步進(jìn)，而這也是SSD從閑置狀態(tài)到接受讀寫操作時的典型負(fù)載電流。

一種SSD應(yīng)用要求非常嚴(yán)格的電磁干擾(EMI)控制和極低的輻射。它可能用于醫(yī)院或者飛機(jī)環(huán)境。這種環(huán)境下，無數(shù)設(shè)備通過無線方式傳輸數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生各種頻率的電磁干擾。對于這類應(yīng)用，SSD應(yīng)嚴(yán)控其開關(guān)頻率，以將輻射控制在某個窄帶范圍內(nèi)，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作全功能解決方案，因為它包含有復(fù)雜的功能，而這種功能在大多數(shù)SSD應(yīng)用中卻是不必要的。TPS62110便是這種全功能解決方案的一個例子，其效率特征如圖2所示，響應(yīng)時間如圖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(yīng)時間。

第二種SSD應(yīng)用要求的整體解決方案尺寸最小。它可以應(yīng)用于高性能筆記本電腦，或者匹配特殊機(jī)械硬盤的體積尺寸。為了實現(xiàn)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關(guān)頻率來讓輸出濾波器更加小型化，并將功能減少至最低要求。TPS62140同時達(dá)到了這兩個目標(biāo)，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(yīng)時間。