探索 Qorvo 针对固态硬盘的断电保护与电源管理单芯片解决方案

 

如图1所示，SSD中的PLP在断电期间可提供足够的能量，将关键数据保存至NAND（NAND闪存作为一种非易失性存储技术，在无电源的情况下也能保持数据）。此类PLP系统已在SSD市场存在了一段时间，在断电时保护数据安全方面发挥了重要作用。PLP的主要任务是延长SSD的运行时间，以便安全地将数据从驱动器的临时存储移动到永久存储器，确保数据在系统重新通电后仍然存在且可访问。PLP系统通过使用特殊电容器使SSD保持时间足够长的供电，从而将缓存中的所有数据都保存到NAND闪存中，并更新目录信息。

 

 

图1，使用PLP延长电源供电时间

 

如下图2所示，此类电容器可存储足够的能量，在断电后使SSD能够继续运行并完成数据备份。这些能量为系统提供了额外的运行时间，使得系统能够在断电后完成向存储器写入数据的操作。此外，一些SSD使用特殊的软件规则来控制断电时数据的写入方式，从而确保数据安全并降低出错的可能性。

接下来，让我们快速了解一下SSD的主要组件。图2展示了用于数据中心的SSD的标准组件。

 

图2，企业级SSD的标准组件

 

如同许多系统升级一样，这些PLP电容器和软件附加功能需要占用空间并在工程设计方面投入精力；其本身也会因SSD设计和缓存大小的不同而消耗不同量级的能量。然而，它们为企业和数据中心所带来的效益十分明显。

SSD市场的另一项关键进展是电源管理集成电路（PMIC）的引入。这些PMIC优化了电源传输架构和SSD性能。下面，就让我们进一步探讨这一新进展及其带来的益处。

整合PMIC和PLP

将PMIC集成至SSD让工程师的设计获得了显著优势。PMIC的多种电压调节器提供了可编程性、上电时序和监控功能。然而，标准的SSD设计仍然需要两个独立功能的集成电路——PLP和PMIC。为了减小解决方案的尺寸、缩短设计时间，并减少对单独PLP监控/控制集成电路的需求，可以将这些组件进行组合，如图3所示。通过将这两个组件合并到一个集成电路中，SSD可以比传统设计更加紧凑。

 

 

图3，将PMIC和PLP整合到单个IC封装中

 

当将图3中的组件集成到单个芯片时，我们创建了一个全面的解决方案，其中包括PLP电容器和用于监控及提升系统级性能的PMIC。此外，PMIC提供的最佳输出电压使SSD能够降低功耗；参见下图4。

 

 

图4，带板载PMIC同时集成PLP的SSD

 

Qorvo ACT85611 和 ACT85411

如图5所示，PLP是 Qorvo ACT85611 和 ACT85411 的一项常规功能。每款器件的PLP都包括一个eFuse和背靠背MOSFET，用于输入与输出之间的双向隔离。这种设置可在热插拔过程中保护器件，并控制浪涌电流。位于eFuse之后的阻断MOSFET将输入总线与降压/升压调节器和储能电容器分离，保证即使电容器失效也能正常工作。该MOSFET还能在启动过程中为电容器提供低电流充电支持。通常，在稳定电源供电的情况下，降压/升压调节器作为升压调节器工作，将电容器充电至高于输入的电压。一旦发生断电，调节器切换到降压模式，从电容器中提取能量为系统供电。一个模数转换器（ADC）以及电容器健康监测系统会检查电压、电流、温度和电容器状况，以确保可靠运行。

 

 

图5，ACT85611 和 ACT85411 结构框图

 

Qorvo的PMIC器件功能各异，以满足不同的系统需求。ACT85611包含四个高效降压调节器（三个4A和一个2A），输出电压范围为0.6V至5.26V；一个用于内部电路和外部负载（最高100mA）的低电流降压调节器（Buck VCC）；一个容量为300mA、输出电压可调范围为0.6V至3.75V的LDO；以及一个提供10.8V至13.2V输出的1A升压调节器。ACT85411具备两个输出电压范围为0.6V至5.26V的10A降压调节器；一个用于内部和外部负载（最高200mA）的5V固定低电流降压调节器（VCC5）；以及一个输出电压范围为9.6V至16V的1A升降压调节器。

比较 ACT85611 与 ACT85411

这两款设备均具备断电保护的核心功能。不过，ACT85411还提供了一些额外的增强特性，具体详情如表1所示。这两款PMIC的规格有所不同，使其能够服务于特定类型的系统。

 

 

表1，ACT85611 与 ACT85411 的比较

 

结语

SSD凭借其卓越的可靠性、速度、能效，以及紧凑、轻便等优势引领着数据存储行业的变革。这一变革的核心在于PLP与PMIC的集成；它们能够在断电期间确保数据完整性并提升设备性能。本文着重阐述了PLP通过特殊电容器和软件协议在SSD断电期间维持供电以保护数据的重要性。同时，文中还探讨了PMIC技术的最新进展，特别是Qorvo的ACT85611和ACT85411器件；这些器件针对各种系统需求量身定制了全面的电源管理解决方案。得益于PLP控制电路，高效的降压、升压，和升降压（Buck-Boost）调节器，以及LDO等功能，其为企业级数据存储系统中SSD的可靠运行构建了经济高效且功能丰富的电源解决方案。

了解有关此主题的更多信息以及获得针对您最新设计挑战的解决方案，请访问 Qorvo 设计中心，获取内容丰富的视频、博客文章、白皮书，和工具等。如需有关本主题和其它Qorvo电源管理PLP设计的更多信息，请访问Qorvo.com网站或联系技术支持。

关于作者

我们的作者在面向前沿技术开发及优化电源方案方面拥有丰富的专业技术知识。立足对客户需求和行业趋势的深刻理解，他们与Qorvo的设计团队紧密合作，推动创新，并提供支持行业领先产品的尖端解决方案。

感谢参与本文撰写的主要贡献者：Dexter Semple（电源管理系统工程师）、David Schnaufer（技术市场经理）、Adam Castaldo（战略市场传播经理）和Michael Day（应用工程高级经理）。