固態硬盤電源架構優化

提到硬盤供電，固態硬盤(SSD)設計師們面對許多相互矛盾的要求。首先是電源的尺寸，其不能新增SSD的體積系數，因為SSD通常非得在體積上與其所替換的機械硬盤(HDD)相兼容。其次是不斷上升的系統效率要求，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)。這些效率通常都有詳盡的SSD認證，例如：能源之星等，其關于市場接受度來說至關緊要。最后一個問題是電源要怎么樣對終端用戶不斷變化的需求做出應和。從閑置狀態轉到高性能狀態時，電源能夠做出足夠快的應和來向SSD供應強大的電力嗎?或者，倘若主機猛然對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電源處理辦法進行分解，測量并比較它們的尺寸、效率和應和時間，以獲得最佳SSD電源處理辦法。

固態硬盤架構

圖1顯示了某臺服務器中安裝的SSD系統的示例圖。一條12V總線為開關式電源(SMpS)供電，其向SSD供應3.3V的電壓。NAND閃存用作內存，原由是其成本低，且擁有斷電存儲數據的能力。一個ASIC或者其它解決器與主機通信，并管理數據流。2.5V和1.8V為ASIC的一般需求。

圖1：固態硬盤電源系統

首先，SMpS非得為一個同步降壓轉換器，而非一個線性調節器或者異步降壓轉換器，以在強負載電流下供應高效率。其次，它還非得具備省電模式，目的是將效率保持在最小值以上(即使SSD處于閑置狀態)。第三，它非得通過中壓、12V輸入總線來工作，并供應低至1.8V甚至更低的輸出電壓，詳盡取決于ASIC的要。最后，SMpS應優化其尺寸、效率和應和時間，以滿足SSD系統的要。

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。今朝，SSD正進入高可靠性市場范疇，例如：公司服務器和筆記本電腦等消費類使用。關于這使用而言，小型化很緊要，SSD的尺寸不再非得完全與機械硬盤相同。

不管是哪種情況，就SSD而言，處理辦法的尺寸足夠小都是一大賣點。盡管并非SSD中最大的子系統，但是電源依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

服務器的一個緊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合適溫度進行散熱解決而消耗的電力。隨著電力價格的不斷上漲以及關于綠色運行的重視，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的功耗和效率至關緊要，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，SSD的電池使用時間更長，筆記本電腦的發熱更小，并且硬盤的故障率更低。

應和時間

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，情況又要怎么樣呢?由于電源電壓下降，電源能夠足夠快速地從閑置狀態轉到全功率運行狀態，從而戒備出現SSD重置嗎?

對SMpS設計師來說，這是一個非常棘手的設計挑戰。一方面，SMpS應接近斷電狀態，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讀寫操作做出快速應和。這種相互矛盾的要求，要進行謹慎的平衡解決和折中研究。專為滿足SSD要求而設計的IC可以供應最佳的處理辦法。

三種SSD電源處理辦法

我們重點解析使用3.3V電壓驅動NAND閃存的SMpS，并兼顧SSD的其它電源需求。我們分解，共有三種電源處理辦法可適用于各種SSD，其分別為：全功能處理辦法、最小體積處理辦法和高效率專用處理辦法。為了評估每種處理辦法的應和時間，我們使用10mA到1A的負載電流步進，而這也是SSD從閑置狀態到接受讀寫操作時的典型負載電流。

一種SSD使用要求非常嚴格的電磁干擾(EMI)控制和極低的輻射。它可能用于醫院或者飛機環境。這種環境下，無數設備通過無線方式傳輸數據，并出現各種頻率的電磁干擾。關于這類使用，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。這種電源處理辦法被稱作全功能處理辦法，因為它蘊含有復雜的功能，而這種功能在大多數SSD使用中卻是不必要的。TpS62110便是這種全功能處理辦法的一個例子，其效率特點如圖2所示，應和時間如圖3所示。這種全功能處理辦法的尺寸約為175mm2，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電源處理辦法效率。

圖3：全功能SSD電源處理辦法應和時間。

第二種SSD使用要求的整體處理辦法尺寸最小。它可以使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，我們要一種SSD優化電源處理辦法。這種處理辦法新增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74mm2的處理辦法尺寸，且擁有2mm的最大高度。圖4-5顯示了這種處理辦法的效率和應和時間。

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