使設(shè)備更省電、更耐用的微型硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)新方法

本文討論的磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)新方法涉及電壓調(diào)節(jié)、驅(qū)動(dòng)器分區(qū)、接口、電源管理、半導(dǎo)體工藝技術(shù)以及磁盤(pán)保護(hù)等多個(gè)方面。這些方法不僅可降低使用這些驅(qū)動(dòng)器的便攜式消費(fèi)電子產(chǎn)品的功耗，還能提高這些設(shè)備的耐用性。

圖1：典型的鋰離子 電池的工作曲線(xiàn)。

具有大容量存儲(chǔ)功能的便攜式消費(fèi)電子產(chǎn)品日益流行，如手機(jī)、視頻/音頻播放器和數(shù)碼相機(jī)等，這要求磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)業(yè)推出獨(dú)特的解決方案，以滿(mǎn)足快速發(fā)展的應(yīng)用需求。成本更低、容量更高、電池使用壽命更長(zhǎng)以及耐用性更好是磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)工程師必須在1英寸甚至更小外形尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)的一部分特性。由于微型磁盤(pán)存儲(chǔ)方案能以更靈活的設(shè)計(jì)滿(mǎn)足這些新的市場(chǎng)需求，所以磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器制造商轉(zhuǎn)而求助于芯片供應(yīng)商，以獲得可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)架構(gòu)創(chuàng)新的解決方案。

低功耗架構(gòu)

功耗對(duì)手持消費(fèi)電子設(shè)備特別重要。制造商希望新的小尺寸(SFF)驅(qū)動(dòng)器(1英寸和0.85英寸)能存儲(chǔ)更多音樂(lè)并實(shí)現(xiàn)更快的讀寫(xiě)速度，以支持視頻回放和其它功能，而這對(duì)功耗提出了更高要求。

圖2A：MP3播放器的典型 電流消耗。

便攜式消費(fèi)電子設(shè)備不斷朝更高級(jí)、存儲(chǔ)容量要求更大的應(yīng)用發(fā)展，而手機(jī)理所當(dāng)然成為此類(lèi)設(shè)備的代表。集成了媒體播放器功能和其它功能的新型手機(jī)將其10%的功率預(yù)算用于存儲(chǔ)需要，基于不同的電池技術(shù)，存儲(chǔ)功能消耗的平均功率約為110mW。

鋰離子電池目前是手持終端應(yīng)用的最佳電源選擇。為達(dá)到最長(zhǎng)的工作時(shí)間，磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的工作電壓已降至最低2.7V，接近鋰離子電池工作曲線(xiàn)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)(見(jiàn)圖1)。

圖2是傳輸音頻流文件時(shí)硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器(HDD)的典型電流占空比情況。一般說(shuō)來(lái)，如果沒(méi)有數(shù)據(jù)在傳輸，那么主機(jī)會(huì)使驅(qū)動(dòng)器工作在低功耗狀態(tài)或斷電模式。如果需要傳輸數(shù)據(jù)，則驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)動(dòng)并以快速的 HDD傳輸速率將大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C(jī)緩存，然后再返回低功耗狀態(tài)，主機(jī)則將以較低的應(yīng)用速率從緩存取出數(shù)據(jù)。這樣可使驅(qū)動(dòng)器具有很低的電流占空比，從而獲得較低的平均功耗，延長(zhǎng)電池使用壽命。不過(guò)，即便驅(qū)動(dòng)器正在傳輸數(shù)據(jù)，它也會(huì)利用電源管理技術(shù)盡可能減少功耗。例如，在讀取磁盤(pán)扇區(qū)時(shí)，驅(qū)動(dòng)器的功耗最大，但如果主機(jī)處于忙狀態(tài)，那么驅(qū)動(dòng)器將進(jìn)入較低的功耗模式。

圖2B：MP3播放器的典型電 流消耗。

緩存是被用來(lái)與主機(jī)速度進(jìn)行匹配的器件。主機(jī)緩存的大小將決定功耗的大小，緩存越大意味著功耗越小(加快啟動(dòng)/停止驅(qū)動(dòng)器的周期)，從而降低平均功耗。在緩存大小、功耗和成本之間進(jìn)行折衷，有助于主機(jī)制造商選擇既能滿(mǎn)足應(yīng)用的功耗要求，同時(shí)又可降低成本的緩存。典型的音樂(lè)播放器的緩存大小在8至16MB之間，相應(yīng)的價(jià)格壓力推動(dòng)HDD制造商進(jìn)一步降低功耗。

如圖3所示，磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的電子器件主要包括前置放大器(PA)IC、馬達(dá)控制器(MC)IC以及集成的SoC，其中SoC由讀取通道和硬盤(pán)控制器技術(shù)，以及必需的I/O和存儲(chǔ)器組成。對(duì)微型驅(qū)動(dòng)器的功率預(yù)算作進(jìn)一步分析(見(jiàn)圖4)可發(fā)現(xiàn)，存儲(chǔ)器件的功耗約占全部功耗的一半，其余功耗則是由機(jī)械和電機(jī)組件產(chǎn)生的(主要用于驅(qū)動(dòng)器的啟動(dòng)和停止)。SoC消耗了大部分功率，其主要功能是管理并傳輸驅(qū)動(dòng)器磁片上的數(shù)據(jù)。需要注意的是，上述功率預(yù)算分析考慮了瞬時(shí)功率的影響，在典型的主機(jī)應(yīng)用中對(duì)功耗進(jìn)行平均，結(jié)果將比這要低。

由于存儲(chǔ)IC消耗大約50%的磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器總功率，所以芯片供應(yīng)商在改善系統(tǒng)級(jí)功率特性上具有很多重要機(jī)會(huì)，具體包括電壓調(diào)節(jié)方面的創(chuàng)新、驅(qū)動(dòng)器分區(qū)、接口、電源管理方案以及半導(dǎo)體工藝技術(shù)等。

圖3：磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的電子器件。

1、電壓調(diào)節(jié)

典型的HDD需要兩種電壓電源：邏輯器件使用的數(shù)字核心電壓，以及馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和接口使用的模擬電壓。模擬電壓過(guò)去只取自主機(jī)，并被調(diào)節(jié)為最大值。傳統(tǒng)上，核心電壓的產(chǎn)生則是利用馬達(dá)控制器IC內(nèi)的線(xiàn)性調(diào)節(jié)器把來(lái)自主機(jī)的電壓調(diào)節(jié)為1.2V標(biāo)稱(chēng)值(見(jiàn)圖5)。如今的驅(qū)動(dòng)器使用3.3V本地電源，并利用線(xiàn)性調(diào)節(jié)器將這個(gè)電源轉(zhuǎn)換為存儲(chǔ)IC所需的1.2V/200mA電源。在圖6所示的方框圖中，線(xiàn)性調(diào)節(jié)器需吸收200mA電流，而轉(zhuǎn)換效率僅為36%。

用開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器替代馬達(dá)控制器內(nèi)的線(xiàn)性調(diào)節(jié)器來(lái)產(chǎn)生核心電壓，是實(shí)現(xiàn)SFF驅(qū)動(dòng)器節(jié)能的一個(gè)重大改進(jìn)。盡管這些器件仍是將電壓從3.3V轉(zhuǎn)換為1.2V，但它們僅吸收約為90mA的電流，轉(zhuǎn)換效率則高達(dá)80%。而通常由開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的噪聲可利用具有成本效益的方法得到很好解決，以保持信號(hào)的完整性。用開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器(300mW)替代線(xiàn)性調(diào)節(jié)器(660mW)，總共可節(jié)省55％的功耗。此外，采用開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器還使數(shù)字核心電壓從1.2V降到1.0V，從而進(jìn)一步降低功耗。

圖4A：磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的功 率預(yù)算示例。

電壓調(diào)節(jié)的另一個(gè)目標(biāo)是降低模擬電壓。來(lái)自主機(jī)的電壓通常被控制為最大3.3V，不過(guò)通過(guò)將工作額定電壓降到2.5V，也可能減少功率消耗，但這需要采用較低的主機(jī)電壓或HDD板上調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。如果采用HDD板上調(diào)節(jié)，由于調(diào)節(jié)器(即便是開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器)的效率損失，功耗降低將非常有限，這種方法只有在主機(jī)電源電壓較低的系統(tǒng)中才可行。

2、主機(jī)/驅(qū)動(dòng)器的分區(qū)

另一種節(jié)省功耗的方法是對(duì)驅(qū)動(dòng)器/主機(jī)進(jìn)行有效分區(qū)，從而將功能從主機(jī)移到驅(qū)動(dòng)器，或者從驅(qū)動(dòng)器移到主機(jī)。隨著在媒體播放器和手機(jī)等便攜式設(shè)備中添加更多的多媒體功能，通過(guò)重新分區(qū)實(shí)現(xiàn)功能集成可降低總體功耗，同時(shí)還可增加手持設(shè)備中寶貴的可用空間。盡管當(dāng)前許多設(shè)備都具有獨(dú)立的可移動(dòng)驅(qū)動(dòng)器，但采用嵌入式磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)將對(duì)減少功耗、縮小尺寸以及降低成本非常有用。

圖7給出了這種集成策略的兩個(gè)極端例子。例1將額外的IP移到驅(qū)動(dòng)器上，如無(wú)線(xiàn)功能(Wi-Fi/UWB)或視頻/音頻編解碼器等。功能完備的驅(qū)動(dòng)器可方便地與簡(jiǎn)單的顯示器和鍵盤(pán)相結(jié)合，以便進(jìn)行手機(jī)或

圖4B：磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的功 率預(yù)算示例。

盡管這兩種情況都各有優(yōu)缺點(diǎn)，但功能集成可消除冗余處理和電路開(kāi)銷(xiāo)，并減小互連數(shù)量，從而降低便攜式設(shè)備的功耗。

3、接口技術(shù)

消費(fèi)電子-高級(jí)技術(shù)附件(CE-ATA)和多媒體卡(MMC)等新型接口標(biāo)準(zhǔn)正處于開(kāi)發(fā)階段。這些接口標(biāo)準(zhǔn)可減小器件尺寸并使用相同的物理接口，盡管它們采用不同協(xié)議，但都是通過(guò)降低接口電壓來(lái)減少總體功耗。目前CF接口的信號(hào)傳輸與驅(qū)動(dòng)器均采用3.3V電壓，而CE-ATA/MMC接口技術(shù)則采用1.8V信令并將模擬電源分離，以進(jìn)一步降低驅(qū)動(dòng)器功耗。

4、電源管理

圖5：使用線(xiàn)性調(diào)節(jié)器的 傳統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)方法。

電源管理能讓主機(jī)有效地管理磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的功耗。存儲(chǔ)SoC通常具有一個(gè)多態(tài)序列發(fā)生器，該發(fā)生器可使SoC通過(guò)固件控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)電源管理功能。這些功能不僅可根據(jù)驅(qū)動(dòng)器設(shè)置調(diào)節(jié)功耗水平，還能有選擇性地使電路無(wú)效、啟用/禁用所有功能塊的時(shí)鐘，并為時(shí)鐘禁用有問(wèn)題的功能塊提供分隔。除此之外，電源管理技術(shù)還包括選擇正確的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率以?xún)?yōu)化驅(qū)動(dòng)器，這一般通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)奶幚砥鲿r(shí)鐘速率來(lái)實(shí)現(xiàn)。所有這些功能都有助于實(shí)現(xiàn)整體功率效率最大化。

5、半導(dǎo)體工藝

工藝技術(shù)的選擇必須基于預(yù)期的驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行傳輸速率。為實(shí)現(xiàn)低功耗的優(yōu)化設(shè)計(jì)，芯片設(shè)計(jì)工程師專(zhuān)門(mén)選擇泄漏低、閾值高的工藝，以減小待機(jī)模式下的漏電流，同時(shí)還滿(mǎn)足所需的系統(tǒng)性能。用于手持應(yīng)用的SFF驅(qū)動(dòng)器的傳輸速率較低，因此可通過(guò)使用速率較低的器件來(lái)實(shí)現(xiàn)低功耗。

圖6：電壓調(diào)節(jié)方框圖。

此外，還可通過(guò)縮小工藝尺寸來(lái)減少運(yùn)行功耗。工藝尺寸與功耗之間基本呈線(xiàn)性關(guān)系，但到65nm工藝時(shí)，工藝縮小對(duì)降低功耗的作用開(kāi)始減少，此時(shí)漏電流成為功耗的主要原因。

可提高耐用性的架構(gòu)

隨著高容量存儲(chǔ)產(chǎn)品在便攜式消費(fèi)電子產(chǎn)品中日益流行，磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的主動(dòng)保護(hù)變得至關(guān)重要。要提高這些設(shè)備的耐用性，就要求能可靠地檢測(cè)到“自由落體”運(yùn)動(dòng)，并確保驅(qū)動(dòng)器磁頭在撞擊前停留在啟停區(qū)。但這并非易事，因?yàn)閺囊幻赘叨茸杂陕潴w到地面的時(shí)間還不到半秒。

從半導(dǎo)體層面上看，SFF驅(qū)動(dòng)器要求馬達(dá)控制器芯片、存儲(chǔ)SoC(或讀取通道)、前置放大器以及用于檢測(cè)自由落體運(yùn)動(dòng)的傳感器能夠協(xié)同工作(見(jiàn)圖8)。微型驅(qū)動(dòng)器目前使用沖擊傳感器或者加速計(jì)，并采用相關(guān)算法。

當(dāng)設(shè)備發(fā)生墜落時(shí)，馬達(dá)控制器

圖7：主機(jī)和驅(qū)動(dòng)器 的分區(qū)示意圖。

SoC首先會(huì)檢查驅(qū)動(dòng)器的狀態(tài)，看其是處于尋道操作狀還是閑置狀態(tài)。臺(tái)式 PC的磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器在不進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)，其磁頭總是位于旋轉(zhuǎn)磁片的磁軌上，對(duì)微型驅(qū)動(dòng)器而言，節(jié)約電池用電比提高數(shù)據(jù)傳輸速率更重要，因此微型驅(qū)動(dòng)器在閑置狀態(tài)下會(huì)關(guān)閉主軸馬達(dá)并使磁頭臂組件(HSA)回位。如果驅(qū)動(dòng)器正處于寫(xiě)模式，則SoC將關(guān)閉前置放大器IC的寫(xiě)入電流，與此同時(shí)馬達(dá)控制器關(guān)閉主軸馬達(dá)并使HAS回位。

圖8：驅(qū)動(dòng)器發(fā)生自由落 體運(yùn)動(dòng)時(shí)的處理流程方框圖。

如何處理掉電對(duì)提高SFF驅(qū)動(dòng)器的可靠性也同樣重要，因?yàn)橥蝗坏綦?如斷開(kāi)電池連接)也很容易造成磁盤(pán)被刮。對(duì)掉電的處理過(guò)程與對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的處理過(guò)程類(lèi)似：馬達(dá)控制器感應(yīng)到掉電并將HAS回位，SoC對(duì)電源故障進(jìn)行確認(rèn)，并以控制模式關(guān)閉驅(qū)動(dòng)器其它電子器件的電源。盡管該過(guò)程對(duì)所有驅(qū)動(dòng)器類(lèi)型都是相似的，但較大的驅(qū)動(dòng)器(2.5英寸與3.5英寸)可利用主軸馬達(dá)的反電動(dòng)勢(shì)為磁頭回位提供所需能量。不過(guò)，SFF驅(qū)動(dòng)器中的小磁片沒(méi)有足夠的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量來(lái)產(chǎn)生所需能量，因此必須使用額外的電容器。該電容器在驅(qū)動(dòng)器工作時(shí)充電，在掉電時(shí)放電，以幫助完成磁頭回位。

本文小結(jié)

新型SFF驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)將越來(lái)越依賴(lài)于可有效進(jìn)行通信以加快反應(yīng)速度的芯片和固件。元件集成則是提高可靠性的另一重要途徑。由于消費(fèi)類(lèi)設(shè)備的便攜性本身會(huì)增加發(fā)生機(jī)械或電氣故障的機(jī)會(huì)，而額外的電容或電阻將導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器發(fā)生故障的可能性呈指數(shù)級(jí)上升，所以新的驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)可利用集成了分立元件的馬達(dá)控制器來(lái)提高可靠性，并降低總體成本。