固态硬盘电源架构优化

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提到硬盘供电,固态硬盘(SSD)设计师们面临许多相互矛盾的要求。首先是电源的尺寸,其不能增加SSD的体积系数,因为SSD通常必须在体积上与其所替换的机械硬盘(HDD)相兼容。其次是不断增长的系统效率要求,包括待机模式(SSD无读写操作)和最大功率模式(以最高性能进行读写操作)。这些效率通常都有具体的SSD认证,例如:能源之星等,其对于市场接受度来说至关重要。最后一个问题是电源如何对终端用户不断变化的需求做出响应。从闲置状态转到高性能状态时,电源能够做出足够快的响应来向SSD提供强大的电力吗?或者,如果主机突然对SSD进行高速或大数据量读写操作时,SSD会“挂起”吗?本文将对三种SSD电源解决方案进行分析,测量并对比它们的尺寸、效率和响应时间,以获得最佳SSD电源解决方案。
 
固态硬盘架构
1显示了某台服务器中安装的SSD系统的示例图。一条12V总线为开关式电源(SMPS)供电,其向SSD提供3.3V的电压。NAND闪存用作内存,原因是其成本低,且拥有断电存储数据的能力。一个ASIC或者其它处理器与主机通信,并管理数据流。2.5V和1.8V为ASIC的一般需求。
 
1:固态硬盘电源系统
 
首先,SMPS必须为一个同步降压转换器,而非一个线性调节器或者异步降压转换器,以在强负载电流下提供高效率。其次,它还必须具备省电模式,目的是将效率保持在最小值以上(即使SSD处于闲置状态)。第三,它必须通过中压、12V输入总线来工作,并提供低至1.8V甚至更低的输出电压,具体取决于ASIC的需要。最后,SMPS应优化其尺寸、效率和响应时间,以满足SSD系统的需要。
 
尺寸
随着SSD开始逐渐获得市场的认可,要求它们在尺寸和功能方面向后兼容机械硬盘。当用户的机械硬盘出现故障时(有时可能使用不能一年的时间),SSD便成为一种高可靠性的替代选择。用户只需订购一块尺寸与故障的机械硬盘相同的SSD,个人计算机或者服务器的可靠性便可立即获得升级。
 
随着SSD价格的不断下跌,它们不再仅仅只是寿命到期的机械硬盘的替代品。现在,SSD正进入高可靠性市场领域,例如:企业服务器和笔记本电脑等消费类应用。对于这应用而言,小型化很重要,SSD的尺寸不再必须完全与机械硬盘一样。
 
不管是哪种情况,就SSD而言,解决方案的尺寸足够小都是一大卖点。尽管并非SSD中最大的子系统,但是电源仍然占用了大量的电路板空间,因为SSD电路由数个单独的SMPS供电。要求使用的传统长型电感达到了Z向制作(Z-direction-making)尺寸的极限(一种三维问题)。
 
效率
服务器的一个重要的开销成本是其功耗。它包括驱动器(硬盘)消耗的功率,以及为了保持服务器机房适宜温度进行散热处理而消耗的电力。随着电力价格的不断上涨以及对于“绿色”运行的重视,对SSD的能效提出了越来越高的要求。
 
在笔记本电脑方面,更加高效的SSD可以带来更长的电池使用时间和更低的机体温度。而这两方面都是十分理想的卖点,最终用户易于理解,同时也愿意为它们掏腰包。特别是笔记本电脑,其闲置时SSD的功耗和效率至关重要,因为这些参数会极大影响电池的使用时间。相比机械硬盘系统,SSD的电池使用时间更长,笔记本电脑的发热更小,并且硬盘的故障率更低。
 
响应时间
即使设备闲置时的功耗很低且效率很高,那么,当服务器或者笔记本电脑唤醒并对SSD进行读写操作时,情况又如何呢?由于电源电压下降,电源能够足够快速地从闲置状态转到全功率运行状态,从而避免出现SSD重置吗?
 
对SMPS设计师来说,这是一个非常棘手的设计挑战。一方面,SMPS应接近断电状态,工作的电路数量应尽可能地少,以便让设备闲置模式下的功耗降至最低。另一方面,SMPS电路应偏置,并准备好对用户的SSD读写操作做出快速响应。这种相互矛盾的要求,需要进行谨慎的平衡处理和折中研究。专为满足SSD要求而设计的IC可以提供最佳的解决方案。
 
三种SSD电源解决方案
我们重点介绍使用3.3V电压驱动NAND闪存的SMPS,并兼顾SSD的其它电源需求。我们分析,共有三种电源解决方案可适用于各种SSD,其分别为:全功能解决方案、最小体积解决方案和高效率专用解决方案。为了评估每种解决方案的响应时间,我们使用10 mA到1 A的负载电流步进,而这也是SSD从闲置状态到接受读写操作时的典型负载电流。
 
一种SSD应用要求非常严格的电磁干扰(EMI)控制和极低的辐射。它可能用于医院或者飞机环境。这种环境下,无数设备通过无线方式传输数据,并产生各种频率的电磁干扰。对于这类应用,SSD应严控其开关频率,以将辐射控制在某个窄带范围内,从而更容易地控制、降低或者消除它们。这种电源解决方案被称作全功能解决方案,因为它包含有复杂的功能,而这种功能在大多数SSD应用中却是不必要的。TPS62110便是这种全功能解决方案的一个例子,其效率特征如图2所示,响应时间如图3所示。这种全功能解决方案的尺寸约为175 mm2,但由于要求的电感相对较大,因此其最大元件高度为3.2mm。
 
2:全功能SSD电源解决方案效率。
 
3:全功能SSD电源解决方案响应时间。
 
第二种SSD应用要求的整体解决方案尺寸最小。它可以应用于高性能笔记本电脑,或者匹配特殊机械硬盘的体积尺寸。为了实现小尺寸,我们需要一种SSD优化电源解决方案。这种解决方案增加开关频率来让输出滤波器更加小型化,并将功能减少至最低要求。TPS62140同时达到了这两个目标,并支持74 mm2的解决方案尺寸,且拥有2mm的最大高度。图4-5显示了这种解决方案的效率和响应时间。
 
4:最小尺寸SSD电源解决方案效率。
 
5:最小尺寸SSD电源解决方案响应时间。
 
第三种SSD电源解决方案要求在全部负载范围均拥有最高的效率。在服务器环境下,这种要求极为重要,因为这种使用环境的散热和电力成本开销是一个大问题,但却可以使用稍大尺寸的解决方案。幸运的是,最小尺寸电源解决方案包含有一种功能,其选择器件的开关频率来实现最小解决方案尺寸或者最高效率。如果以最高开关频率工作(同第二个例子一样),解决方案尺寸绝对的最小。但是,功率级的开关损耗会因高工作频率而增加,导致效率降低。如果工作在最高效率模式下,则解决方案尺寸变为85 mm2,最大高度为1.4 mm。图6-7显示了这种最高效率解决方案的效率和响应时间。
 
6:最高效率SSD电源解决方案的效率情况。
 
7:最高效率SSD电源解决方案的响应时间情况。
 
图8和表1显示了这三种解决方案的对比情况:
 
8:全功能、最小尺寸和最高效率解决方案的效率对比。
 
 
解决方案
 
全功能
最小尺寸
最高效率
整体解决方案尺寸
175 mm2
74 mm2
85 mm2
解决方案最大高度
3.2 mm
2 mm
1.4 mm
1mA负载效率
77.8 %
71.0 %
81.4 %
1A负载效率
89.1 %
88.1 %
88.0 %
响应时间
25 µs
3 µs
4 µs
欠压
130 mV
35 mV
72 mV
1:全功能、最小尺寸和最高效率解决方案的性能对比
 
这三种SSD电源解决方案具有截然不同、明显的优点和缺点。全功能解决方案可严格控制电磁干扰,其为某些应用的基本要求。另外,它还具有较高的效率,特别是在负载电流更强时。但是,当负载减小时效率逐渐降低,并且解决方案尺寸(面积)和高度比其它两种解决方案要大。在有严格EMI规定或者辐射要求的应用中,或者在不要求小尺寸的情况下,它是一种完全可以接受的解决方案。
 
最后两种解决方案经过优化后,可以实现最高性能的SSD系统。相比全功能解决方案,最小尺寸解决方案和最高效率解决方案的响应时间更短、电压更低。这让主机ASIC可以在没有SMPS输出电压的情况下更快地启动SSD,并且更加迅速地对其进行读写操作,从而留出调整窗口,触发系统重置。在这两种解决方案中,对于要求绝对最小解决方案尺寸的SSD而言,最小尺寸解决方案为理想选择。这样,可以为SSD系统的其它元件留出最大的面积,可带来更大存储容量的SSD。如果可以使用稍大尺寸的SMPS解决方案,则最高效率解决方案可实现比全功能解决方案更高的效率,同时仅占用其一半的面积。强负载电流下,它的效率不受SMPS本身的限制,但却受限于所选择的电感(例如:Coilcraft LPS4414-332)。更大负载时,电阻损耗(电感DCR和MOSFET Rds-on)超过了频率依赖型损耗。因此,随着负载增加,低开关频率工作的效率优势被削弱。使用更低DCR的大尺寸电感时,最高效率解决方案的效率在整个负载范围都超过了全功能解决方案的效率。同第三个例子一样,它在大负载条件下的效率与全功能解决方案相当,但解决方案尺寸和高度却仅为其一半。
 
SSD设计师们面对的一个终极挑战是为不同容量的SSD设计电源,其要求电流大小随容量变化而不同。如果某个SSD仅需要500mA电流,则3A的SSD电源就超出了设计需要,并且成本也过高。不同容量的SSD需要使用一种可调型电源,从而实现设计重用,并降低全新SMPS设计相关的NRE成本。幸运的是,最小尺寸解决方案和最高效率解决方案所使用的SMPS IC,均可以与高低负载电流版本实现针脚对针脚的兼容。在设计更小容量的SSD时,可以使用小电流SMPS IC,以达到降低材料清单成本的目的。同样,使用大电流SMPS集成电路版本,可马上增加SMPS的输出电流能力,以为更大容量的SSD供电。
 
结论
在确定电源时,固态硬盘系统设计师需要谨慎考虑其设计目标。SSD是否会被用于高度稳定、对电磁干扰敏感的环境(例如:医院等)?是否需要SSD完全匹配机械硬盘的体积因数和尺寸,从而达到直接替换掉机械硬盘的目的?SSD是否会被用于服务器机房,并且那里的电价不断飙升?我们必须根据这些考虑因素(电磁干扰、尺寸和效率),在三种不同类型的优化版SSD电源解决方案之间进行平衡与折中。在考虑到这些设计目标之后,最佳的开关式电源可使固态硬盘获得最高的性能,并满足许多应用的需求。
 
作者简介
 
Christopher James Glaser 现任 TI 电池电源产品部应用工程师,主要负责客户支持、评估板 (EVM) 设计、应用手册撰写、对现场工程师和客户进行培训、提供技术服务以使TI 部件更易使用。他毕业于德州A&M大学 (Texas A&M, College Station, Texas),获电子工程理学士学位。

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