【導讀】電源故障往往會產(chǎn)生多米諾骨牌效應(yīng)，導致系統(tǒng)故障和數(shù)據(jù)丟失，并對服務(wù)器和設(shè)備造成損壞。本文將介紹如何使用 MP5515 來保護固態(tài)硬盤 (SSD) ，以避免其受到突發(fā)斷電的影響。
固態(tài)硬盤遭遇電源故障通常會帶來三項主要損失：
?用戶寫入數(shù)據(jù)丟失
?閃存轉(zhuǎn)換層映射信息丟失
?物理損壞風險增大。固態(tài)硬盤在讀寫過程中如果受到強烈震動或突然斷電，磁頭會劃傷介質(zhì)
使用 MP5515 實現(xiàn)能量存儲與釋放管理
MP5515 是一款具備輸入電源調(diào)節(jié)能力的電源管理芯片（PMIC），可為企業(yè)固態(tài)硬盤、非易失性雙列直插式存儲器模塊 (NVIDMM) 以及其他應(yīng)用提供緊湊、高效的備用電源管理解決方案。該芯片包含比超級電容更加可靠的鉭電容，另外還可以檢測電路的健康狀況以保證數(shù)據(jù)安全。
MP5515采用高壓儲能方式，集成了升壓、降壓、輸入限流、輸入反向電流閉鎖保護，以及斷電監(jiān)測功能。它只需一個電感器和小型反饋電壓電阻即可啟動系統(tǒng)。
正常工作期間，MP5515 將能量存儲在高壓電容器中。一旦發(fā)生電源故障，MP5515可以將能量從存儲電容器傳輸?shù)娇偩€電壓線上。這種能量傳輸為系統(tǒng)提供了穩(wěn)定的備用電源。
MP5515 的其他主要特性包括：
?2.7V 至 18V 的寬工作輸入電壓 (VIN) 范圍
?高達 32V 的可調(diào)存儲電壓
?高達 6A 的可調(diào)輸入限流
?5A 降壓負載能力
?可調(diào)VB 電壓 (VB) 上升斜率
?集成14mΩ MOSFET實現(xiàn)輸入限流
?輸入過壓保護 (OVP)
?反向電流保護 (RCP)
?輸入電源故障指示器
?備用電容健康測試
?集成電壓、電流和溫度檢測
MP5515 最大限度地減少了標準外部元器件的使用，采用 30-引腳 QFN (5mmx5mm)封裝。該器件還提供 I2C通信以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。下面將詳細討論 MP5515 在能量儲能與釋放管理方面所具有的戰(zhàn)略優(yōu)勢。
應(yīng)對突發(fā)斷電
為了最大限度地減少數(shù)據(jù)丟失，MP5515 設(shè)計有一個包含高能量密度電容器的斷電檢測電路。圖 1 所示為采用MP5515 的集成解決方案。
圖1:采用MP5515 的集成解決方案
電熔絲（E-fuse）模塊持續(xù)監(jiān)測固態(tài)硬盤的電源電壓。當電源電壓下降至設(shè)定的閾值，即表示外部電源突然發(fā)生故障，電熔絲將切斷電源電路。充足的電源保護窗口期為數(shù)據(jù)從緩存閃存至NAND 提供了足夠的時間。之后，電容器形成放電路徑；一旦電源再次接通，電容器會快速充電。
電熔絲和集成雙向升降壓
當系統(tǒng)供電充足時，輸入到輸出的隔離電路需要二極管、降壓和升壓。采用5個或以上FET和二極管不僅會增加功耗，還會降低效率。但MP5515通常只需要其集成的14mΩ MOSFET 就能實現(xiàn)輸入限流。
當發(fā)生異常電源故障時，MP5515 的集成雙向升降壓變換器只有三個 FET，這有助于降低功耗，同時最小化整個解決方案的尺寸。圖 2 顯示了當 VB為 7.5V 時，MP5515 在待機功耗模式下的效率曲線。
圖 2：MP5515 降壓效率曲線（VB = 7.5V）
圖 3 顯示了當 VB為 10V 時，MP5515 在待機功耗模式下的效率曲線。
圖 3：MP5515 降壓效率曲線（VB = 10V）
更小的儲能電容器
依照能量守恒定律，當儲能電容器電壓升高時，其容量顯著降低。MP5515可以將儲能電容器的電壓提高到36V，在恒定能量需求之下，電容可降至 2.5mF ，ESR也同時降低。而通常情況下，儲能電容的額定電壓為18V，電容為8.4mF。
高度集成的芯片
傳統(tǒng)解決方案通常需要將至少4個芯片與復雜的外圍硬件電路和軟件技術(shù)相匹配。而MP5515 提供了僅需單個電感的集成解決方案。 圖 4 所示為MP5515 的典型應(yīng)用電路。
圖 4：MP5515 典型應(yīng)用電路及其外部元器件
由圖 5可以看出，MP5515最大限度地減少了所需的外部元器件數(shù)量。
圖5: MP5515的PCB布局
電容健康檢測
在固態(tài)硬盤的使用過程中，頻繁的充放電過程使電容器容易老化，儲能容量也會隨時間而降低。為了解決這個問題，MP5515 集成了電容健康測試功能，它通過STRG 與RTEST之間連接的一個外部電阻器對儲能電容器進行放電。檢測結(jié)果存儲在微控制器的數(shù)據(jù)寄存器中，并可通過 I2C接口讀取。
根據(jù)能量守恒公式，可以輕松推導和計算出儲能電容，然后確定是否需要更換電容器。圖 6 顯示了 VINITIAL(DATA2), VFINAL(DATA1) 和時間計數(shù)器的計算方法，這些參數(shù)都用于估算電容。
圖 6：MP5515 儲能電容檢測電路電源
備份模式的快速過渡
降壓模式支持最大電流限制功能，以限制釋放的電流。在每個降壓模式開關(guān)周期中，直到電感電流降至谷電流限值時，上管MOSFET (HS-FET)才會導通。當雙向變換器通過儲能電容釋放能量時，采用恒定導通時間 (COT) 控制，以最大限度地降低器件從充電模式轉(zhuǎn)換到備用模式時產(chǎn)生的壓降。
不同總線負載（其中 VB 負載為 1A 或 5A）下 ，VIN 斷電后的備用電源釋放過程如圖 7 所示。
圖7: MP5515系統(tǒng)斷電
圖 8 顯示了MP5515 斷電的波形細節(jié)。
圖 8：MP5515 斷電轉(zhuǎn)換波形
圖 9 顯示出MP5515 對270kHz 至 1.25MHz 的寬頻率范圍、以及各種電感的支持。
圖9: MP5515支持寬頻率范圍
通過 I2C 通信進行靈活的參數(shù)配置
MP5515 可以通過 MPS 的 I2C GUI 進行靈活定制，從而實現(xiàn)強大的功能。除了前文所述的MP5515主要特性以外，可以靈活配置參數(shù)的功能特性如下：
?儲能電容健康檢測
?具有電壓、電流和溫度檢測功能的 10 位 ADC
?儲能提升
?可調(diào)降壓頻率
?輸入恢復控制
?系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測
?中斷屏蔽控制
圖 10 顯示了MPS提供的通信套件 (EVKT-USBI2C-02).
圖 10：MPS EVKT-USBI2C-02 通信接口
圖 11 顯示了采用 MP5515 、 MP5470 和 MP28167-A 實現(xiàn)的電源故障保護電路。
圖 11：電源故障保護電路
除了MP5515，MPS 還提供 MP5505 、MP5512 以及其他斷電保護解決方案。
結(jié)論
保護固態(tài)硬盤免受突發(fā)電源故障的影響對于維持串聯(lián)設(shè)備的穩(wěn)定運行至關(guān)重要。MPS 不斷深耕該領(lǐng)域，推出能夠適應(yīng)眾多應(yīng)用的定制化儲能解決方案，為設(shè)備的長期穩(wěn)定運行保駕護航。這些應(yīng)用涵蓋了運輸、網(wǎng)絡(luò)通信、工廠自動化設(shè)備、監(jiān)控系統(tǒng)、智能車載監(jiān)控和數(shù)據(jù)中心。MP5515、MP5470、MP28167-A、MP5505 和 MP5512，多樣的能量管理解決方案將為您的設(shè)備供電與保護提供有力的支持。
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