固态硬盘电源架构优化

电源与新能源 时间:2012-10-29来源:网络

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

图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。

图1:固态硬盘电源系统.jpg

图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。

图2:全功能SSD电源解决方案效率.jpg

图2:全功能SSD电源解决方案效率。

图3:全功能SSD电源解决方案响应时间.jpg

图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,并支持仅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。

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关键词: 优化 架构 电源 硬盘 固态

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