提到硬盤供電，固態(tài)硬盤（SSD）設(shè)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(shù)，因為SSD通常必須在體積上與其所替換的機(jī)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(jī)模式（SSD無讀寫操作）和最大功率模式（以最高性能進(jìn)行讀寫操作）。這些效率通常都有具體的SSD認(rèn)證，例如：能源之星等，其對于市場接受度來說至關(guān)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(yīng)。從閑置狀態(tài)轉(zhuǎn)到高性能狀態(tài)時，電源能夠做出足夠快的響應(yīng)來向SSD提供強(qiáng)大的電力嗎？或者，如果主機(jī)突然對SSD進(jìn)行高速或大數(shù)據(jù)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(jìn)行分析，測量并對比它們的尺寸、效率和響應(yīng)時間，以獲得最佳SSD電源解決方案。
固態(tài)硬盤架構(gòu)
圖1顯示了某臺服務(wù)器中安裝的SSD系統(tǒng)的示例圖。一條12V總線為開關(guān)式電源（SMPS）供電，其向SSD提供3.3V的電壓。NAND閃存用作內(nèi)存，原因是其成本低，且擁有斷電存儲數(shù)據(jù)的能力。一個ASIC或者其它處理器與主機(jī)通信，并管理數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換器，而非一個線性調(diào)節(jié)器或者異步降壓轉(zhuǎn)換器，以在強(qiáng)負(fù)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(yīng)優(yōu)化其尺寸、效率和響應(yīng)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(rèn)可，要求它們在尺寸和功能方面向后兼容機(jī)械硬盤。當(dāng)用戶的機(jī)械硬盤出現(xiàn)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(jī)械硬盤相同的SSD，個人計算機(jī)或者服務(wù)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(jī)械硬盤的替代品?，F(xiàn)在，SSD正進(jìn)入高可靠性市場領(lǐng)域，例如：企業(yè)服務(wù)器和筆記本電腦等消費(fèi)類應(yīng)用。對于這應(yīng)用而言，小型化很重要，SSD的尺寸不再必須完全與機(jī)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(diǎn)。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(shù)個單獨(dú)的SMPS供電。要求使用的傳統(tǒng)長型電感達(dá)到了Z向制作（Z-direction-making）尺寸的極限（一種三維問題）。
效率
服務(wù)器的一個重要的開銷成本是其功耗。它包括驅(qū)動器（硬盤）消耗的功率，以及為了保持服務(wù)器機(jī)房適宜溫度進(jìn)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(yùn)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(jī)體溫度。而這兩方面都是十分理想的賣點(diǎn)，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(guān)重要，因為這些參數(shù)會極大影響電池的使用時間。相比機(jī)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(yīng)時間
即使設(shè)備閑置時的功耗很低且效率很高，那么，當(dāng)服務(wù)器或者筆記本電腦喚醒并對SSD進(jìn)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(zhuǎn)到全功率運(yùn)行狀態(tài)，從而避免出現(xiàn)SSD重置嗎？
對SMPS設(shè)計師來說，這是一個非常棘手的設(shè)計挑戰(zhàn)。一方面，SMPS應(yīng)接近斷電狀態(tài)，工作的電路數(shù)量應(yīng)盡可能地少，以便讓設(shè)備閑置模式下的功耗降至最低。另一方面，SMPS電路應(yīng)偏置，并準(zhǔn)備好對用戶的SSD讀寫操作做出快速響應(yīng)。這種相互矛盾的要求，需要進(jìn)行謹(jǐn)慎的平衡處理和折中研究。專為滿足SSD要求而設(shè)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(diǎn)介紹使用3.3V電壓驅(qū)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(yīng)時間，我們使用10 mA到1 A的負(fù)載電流步進(jìn)，而這也是SSD從閑置狀態(tài)到接受讀寫操作時的典型負(fù)載電流。
一種SSD應(yīng)用要求非常嚴(yán)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(jī)環(huán)境。這種環(huán)境下，無數(shù)設(shè)備通過無線方式傳輸數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生各種頻率的電磁干擾。對于這類應(yīng)用，SSD應(yīng)嚴(yán)控其開關(guān)頻率，以將輻射控制在某個窄帶范圍內(nèi)，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(fù)雜的功能，而這種功能在大多數(shù)SSD應(yīng)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(yīng)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(yīng)時間。
第二種SSD應(yīng)用要求的整體解決方案尺寸最小。它可以應(yīng)用于高性能筆記本電腦，或者匹配特殊機(jī)械硬盤的體積尺寸。為了實(shí)現(xiàn)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(guān)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(dá)到了這兩個目標(biāo)，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(yīng)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(yīng)時間。
第三種SSD電源解決方案要求在全部負(fù)載范圍均擁有最高的效率。在服務(wù)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(yùn)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(guān)頻率來實(shí)現(xiàn)最小解決方案尺寸或者最高效率。如果以最高開關(guān)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(guān)損耗會因高工作頻率而增加，導(dǎo)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(yīng)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(yīng)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。
這三種SSD電源解決方案具有截然不同、明顯的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。全功能解決方案可嚴(yán)格控制電磁干擾，其為某些應(yīng)用的基本要求。另外，它還具有較高的效率，特別是在負(fù)載電流更強(qiáng)時。但是，當(dāng)負(fù)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(yán)格EMI規(guī)定或者輻射要求的應(yīng)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(jīng)過優(yōu)化后，可以實(shí)現(xiàn)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(yīng)時間更短、電壓更低。這讓主機(jī)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(jìn)行讀寫操作，從而留出調(diào)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(shí)現(xiàn)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(qiáng)負(fù)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(fù)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(fù)載增加，低開關(guān)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(fù)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(fù)載條件下的效率與全功能解決方案相當(dāng)，但解決方案尺寸和高度卻僅為其一半。
SSD設(shè)計師們面對的一個終極挑戰(zhàn)是為不同容量的SSD設(shè)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(shè)計需要，并且成本也過高。不同容量的SSD需要使用一種可調(diào)型電源，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計重用，并降低全新SMPS設(shè)計相關(guān)的NRE成本。幸運(yùn)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(fù)載電流版本實(shí)現(xiàn)針腳對針腳的兼容。在設(shè)計更小容量的SSD時，可以使用小電流SMPS IC，以達(dá)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(jié)論
在確定電源時，固態(tài)硬盤系統(tǒng)設(shè)計師需要謹(jǐn)慎考慮其設(shè)計目標(biāo)。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(jī)械硬盤的體積因數(shù)和尺寸，從而達(dá)到直接替換掉機(jī)械硬盤的目的？SSD是否會被用于服務(wù)器機(jī)房，并且那里的電價不斷飆升？我們必須根據(jù)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(jìn)行平衡與折中。在考慮到這些設(shè)計目標(biāo)之后，最佳的開關(guān)式電源可使固態(tài)硬盤獲得最高的性能，并滿足許多應(yīng)用的需求。
參考文獻(xiàn)
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作者簡介
Christopher James Glaser 現(xiàn)任TI 電池電源產(chǎn)品部應(yīng)用工程師，主要負(fù)責(zé)客戶支持、評估板 (EVM)設(shè)計、應(yīng)用手冊撰寫、對現(xiàn)場工程師和客戶進(jìn)行培訓(xùn)、提供技術(shù)服務(wù)以使TI 部件更易使用。他畢業(yè)于德州A&M大學(xué)(Texas A&M, College Station, Texas)，獲電子工程理學(xué)士學(xué)位。