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提到硬盤供電，固態(tài)硬盤（SSD）設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，因為SSD通常必須在體積上與其所替換的機械硬盤（HDD）相兼容。其次是不斷增長的系統(tǒng)效率要求，包括待機模式（SSD無讀寫操作）和最大功率模式（以最高性能進行讀寫操作）。這些效率通常都有具體的SSD認證，例如：能源之星等，其對于市場接受度來說至關重要。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。從閑置狀態(tài)轉到高性能狀態(tài)時，電源能夠做出足夠快的響應來向SSD提供強大的電力嗎？或者，如果主機突然對SSD進行高速或大數據量讀寫操作時，SSD會“掛起”嗎？本文將對三種SSD電源解決方案進行分析，測量并對比它們的尺寸、效率和響應時間，以獲得最佳SSD電源解決方案。 固態(tài)硬盤架構 圖1顯示了某臺服務器中安裝的SSD系統(tǒng)的示例圖。一條12V總線為開關式電源（SMPS）供電，其向SSD提供3.3V的電壓。NAND閃存用作內存，原因是其成本低，且擁有斷電存儲數據的能力。一個ASIC或者其它處理器與主機通信，并管理數據流。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換器，而非一個線性調節(jié)器或者異步降壓轉換器，以在強負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應優(yōu)化其尺寸、效率和響應時間，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可，要求它們在尺寸和功能方面向后兼容機械硬盤。當用戶的機械硬盤出現故障時（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械硬盤相同的SSD，個人計算機或者服務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械硬盤的替代品。現在，SSD正進入高可靠性市場領域，例如：企業(yè)服務器和筆記本電腦等消費類應用。對于這應用而言，小型化很重要，SSD的尺寸不再必須完全與機械硬盤一樣。 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電路由數個單獨的SMPS供電。要求使用的傳統(tǒng)長型電感達到了Z向制作（Z-direction-making）尺寸的極限（一種三維問題）。 效率 服務器的一個重要的開銷成本是其功耗。它包括驅動器（硬盤）消耗的功率，以及為了保持服務器機房適宜溫度進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的功耗和效率至關重要，因為這些參數會極大影響電池的使用時間。相比機械硬盤系統(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。 響應時間 即使設備閑置時的功耗很低且效率很高，那么，當服務器或者筆記本電腦喚醒并對SSD進行讀寫操作時，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)轉到全功率運行狀態(tài)，從而避免出現SSD重置嗎？ 對SMPS設計師來說，這是一個非常棘手的設計挑戰(zhàn)。一方面，SMPS應接近斷電狀態(tài)，工作的電路數量應盡可能地少，以便讓設備閑置模式下的功耗降至最低。另一方面，SMPS電路應偏置，并準備好對用戶的SSD讀寫操作做出快速響應。這種相互矛盾的要求，需要進行謹慎的平衡處理和折中研究。專為滿足SSD要求而設計的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時間，我們使用10 mA到1 A的負載電流步進，而這也是SSD從閑置狀態(tài)到接受讀寫操作時的典型負載電流。 一種SSD應用要求非常嚴格的電磁干擾（EMI）控制和極低的輻射。它可能用于醫(yī)院或者飛機環(huán)境。這種環(huán)境下，無數設備通過無線方式傳輸數據，并產生各種頻率的電磁干擾。對于這類應用，SSD應嚴控其開關頻率，以將輻射控制在某個窄帶范圍內，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，因為它包含有復雜的功能，而這種功能在大多數SSD應用中卻是不必要的。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電源解決方案響應時間。 第二種SSD應用要求的整體解決方案尺寸最小。它可以應用于高性能筆記本電腦，或者匹配特殊機械硬盤的體積尺寸。為了實現小尺寸，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同時達到了這兩個目標，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時間。
圖4：最小尺寸SSD電源解決方案效率。
圖5：最小尺寸SSD電源解決方案響應時間。 第三種SSD電源解決方案要求在全部負載范圍均擁有最高的效率。在服務器環(huán)境下，這種要求極為重要，因為這種使用環(huán)境的散熱和電力成本開銷是一個大問題，但卻可以使用稍大尺寸的解決方案。幸運的是，最小尺寸電源解決方案包含有一種功能，其選擇器件的開關頻率來實現最小解決方案尺寸或者最高效率。如果以最高開關頻率工作（同第二個例子一樣），解決方案尺寸絕對的最小。但是，功率級的開關損耗會因高工作頻率而增加，導致效率降低。如果工作在最高效率模式下，則解決方案尺寸變?yōu)?5 mm2，最大高度為1.4 mm。圖6－7顯示了這種最高效率解決方案的效率和響應時間。
圖6：最高效率SSD電源解決方案的效率情況。
圖7：最高效率SSD電源解決方案的響應時間情況。 圖8和表1顯示了這三種解決方案的對比情況：
圖8：全功能、最小尺寸和最高效率解決方案的效率對比。
表1：全功能、最小尺寸和最高效率解決方案的性能對比。 這三種SSD電源解決方案具有截然不同、明顯的優(yōu)點和缺點。全功能解決方案可嚴格控制電磁干擾，其為某些應用的基本要求。另外，它還具有較高的效率，特別是在負載電流更強時。但是，當負載減小時效率逐漸降低，并且解決方案尺寸（面積）和高度比其它兩種解決方案要大。在有嚴格EMI規(guī)定或者輻射要求的應用中，或者在不要求小尺寸的情況下，它是一種完全可以接受的解決方案。 最后兩種解決方案經過優(yōu)化后，可以實現最高性能的SSD系統(tǒng)。相比全功能解決方案，最小尺寸解決方案和最高效率解決方案的響應時間更短、電壓更低。這讓主機ASIC可以在沒有SMPS輸出電壓的情況下更快地啟動SSD，并且更加迅速地對其進行讀寫操作，從而留出調整窗口，觸發(fā)系統(tǒng)重置。在這兩種解決方案中，對于要求絕對最小解決方案尺寸的SSD而言，最小尺寸解決方案為理想選擇。這樣，可以為SSD系統(tǒng)的其它元件留出最大的面積，可帶來更大存儲容量的SSD。如果可以使用稍大尺寸的SMPS解決方案，則最高效率解決方案可實現比全功能解決方案更高的效率，同時僅占用其一半的面積。強負載電流下，它的效率不受SMPS本身的限制，但卻受限于所選擇的電感（例如：Coilcraft LPS4414-332）。更大負載時，電阻損耗（電感DCR和MOSFET Rds-on）超過了頻率依賴型損耗。因此，隨著負載增加，低開關頻率工作的效率優(yōu)勢被削弱。使用更低DCR的大尺寸電感時，最高效率解決方案的效率在整個負載范圍都超過了全功能解決方案的效率。同第三個例子一樣，它在大負載條件下的效率與全功能解決方案相當，但解決方案尺寸和高度卻僅為其一半。 SSD設計師們面對的一個終極挑戰(zhàn)是為不同容量的SSD設計電源，其要求電流大小隨容量變化而不同。如果某個SSD僅需要500mA電流，則3A的SSD電源就超出了設計需要，并且成本也過高。不同容量的SSD需要使用一種可調型電源，從而實現設計重用，并降低全新SMPS設計相關的NRE成本。幸運的是，最小尺寸解決方案和最高效率解決方案所使用的SMPS IC，均可以與高低負載電流版本實現針腳對針腳的兼容。在設計更小容量的SSD時，可以使用小電流SMPS IC，以達到降低材料清單成本的目的。同樣，使用大電流SMPS集成電路版本，可馬上增加SMPS的輸出電流能力，以為更大容量的SSD供電。 結論 在確定電源時，固態(tài)硬盤系統(tǒng)設計師需要謹慎考慮其設計目標。SSD是否會被用于高度穩(wěn)定、對電磁干擾敏感的環(huán)境（例如：醫(yī)院等）？是否需要SSD完全匹配機械硬盤的體積因數和尺寸，從而達到直接替換掉機械硬盤的目的？SSD是否會被用于服務器機房，并且那里的電價不斷飆升？我們必須根據這些考慮因素（電磁干擾、尺寸和效率），在三種不同類型的優(yōu)化版SSD電源解決方案之間進行平衡與折中。在考慮到這些設計目標之后，最佳的開關式電源可使固態(tài)硬盤獲得最高的性能，并滿足許多應用的需求。 參考文獻 請下載產品說明書副本：TPS62110、TPS62140、TPS62130 和 TPS62150。 作者簡介 Christopher James Glaser 現任 TI 電池電源產品部應用工程師，主要負責客戶支持、評估板 (EVM) 設計、應用手冊撰寫、對現場工程師和客戶進行培訓、提供技術服務以使TI 部件更易使用。他畢業(yè)于德州A&M大學 (Texas A&M, College Station, Texas)，獲電子工程理學士學位。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||
