固态硬盘电源架构优化

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 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。 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。 图4：最小尺寸SSD电源解决方案效率。 图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。 图6：最高效率SSD电源解决方案的效率情况。 图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： 图8：全功能、最小尺寸和最高效率解决方案的效率对比。