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电力保持和蓄能管理装置

2018-04-23

在这篇文章中,我们将探讨适用于SSD(固态硬盘)的电力保持及部分蓄能管理装置。mPI电子头条

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SSD及其需要电力保持电路的原因mPI电子头条

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大部分SSD(如非全部)均采用某种类型的电力保持方案,这些方案均配有蓄能系统。电力保持用于在意外断电期间为NAND闪存提供保护。“意外”是关键词;SSD电源正常中断时(技术上称为受控关闭),比如,当用户点击“开始”菜单并选择“关机”选项正常关闭Windows系统计算机时,SSD的电力保持系统未被使用。mPI电子头条

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这是因为,在受控关机期间会有一个特殊命令(“立即备用”命令)通知SSD控制器即将断电。接收立即待命命令后,SSD缓冲区中的所有数据均被写入非易失性NAND单元中。但《数据中心》杂志对此所作的表述是:“在电压突然下降的情况下,如果主机未能将‘立即备用’命令传送到控制器,则所有未写入信息将丢失,导致文件损坏。”换言之,如果SSD意外断电,那么正在写入NAND的数据(即“空中数据”)将会丢失(又称损坏)。mPI电子头条

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发生上述意外断电或“电压突降”状况时,蓄电系统的贮存电力即可发挥作用。电力保持电路被激活后,储存电力将处于可用状态,准许SSD终止向NAND写入数据。下图显示了某SSD制造商的断电和备用电源方块图。mPI电子头条

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图1. SSD断电数据保护方案的方块图。本图片由Hexus.net提供mPI电子头条

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部分适用的电力后备方案mPI电子头条

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大部分SSD(如非全部)蓄电备用系统将电容器作为实际蓄电“罐”。根据笔者通过网络查看的多种不同SSD,用于蓄电的精品电容器包括钽电容器、聚合物钽电容器和老式陶瓷电容器。但是应注意,对于哪种类型电容“最适用”这一问题,目前存在多种有说服力的观点。依据笔者的人个经验,最适用的电容器应能同时兼顾成本、可用性、可靠性、能量密度和物理尺寸,特别是在Z轴上能够保证固态电容的紧凑性。mPI电子头条

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图2. 用于蓄电管理的钽电容器。本图片由 tweaktown.com提供mPI电子头条

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图3.该SSD使用陶瓷电容在断电情况下提供电力支持。本图片由tomsitpro.com提供mPI电子头条

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无论选择哪种电容器,必须保证电容器的坚固耐用,拥有较长的使用寿命(同时可在预计电压水平上通电……这是关键),在与最终产品相同的广告温度范围内具备优良的运行特性。因为电容器的电力使用的电压平方(参见下列等式),电容器的电压越高,速率越佳(只要电压水平升高时电容值未降低过多),电压比电容器的实际电容值更重要。mPI电子头条

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蓄电量:W=12CV2 (焦耳)mPI电子头条

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如需使用超级电容器作为蓄电装置,实践表明来自Linear Technology的LTC3350是优质的电容器充电集成电路。在该电容器的数据表中,集成电路被描述为“可充电并监控一到四个超级电容器的 一系列堆栈的备份电源控制器。”作为边注,超级电容器已用于SSD的电力保持,但是,如本文所述,由于超级电容器包含液态电解质,因此无法始终作为向SSD提供蓄电功能的首选电容器。mPI电子头条

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图4. LTC3350的典型应用。本图片由datasheet提供mPI电子头条

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如果用户想通过参考设计寻求更简单的方法,TI公司提供了PMP30046,该产品被定位为“企业版SSD备用电力参考设计。”点击此处可查看此参考设计的图表。mPI电子头条

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图5. PMP30046企业版SSD备用电力参考设计板卡。本图片由TI.com提供。mPI电子头条

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另一个可考虑的方法是采用MPS出品的MP5505A。数据表将该备用电源IC的特性描述为“针对固态硬盘和硬盘驱动器的应用无损蓄电和管理单元。”尺寸为3x4毫米的QFN-20 IC的输入工作电压范围很宽,从2.7伏到7伏,能够为电压(VSTRG)达35伏的蓄能电容器充电。mPI电子头条

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图6. MP5505A的典型应用。本图片摘自数据表。mPI电子头条

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结论mPI电子头条

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在内存应用领域,尤其是NAND闪存在SSD中的应用中,电力保持是设计的重要组成部分。当设计电力保持/蓄电管理系统时,电容器的选用(取决于最终产品的环境条件)及最佳充电和放电装置(IC)的选择非常重要。虽然本文仅列举了三种选择,但用户有必要对其它可用设备执行尽职调查。mPI电子头条