【導(dǎo)讀】電源故障往往會(huì)產(chǎn)生多米諾骨牌效應(yīng)，導(dǎo)致系統(tǒng)故障和數(shù)據(jù)丟失，并對(duì)服務(wù)器和設(shè)備造成損壞。本文將介紹如何使用 MP5515 來(lái)保護(hù)固態(tài)硬盤(pán) (SSD) ，以避免其受到突發(fā)斷電的影響。
固態(tài)硬盤(pán)遭遇電源故障通常會(huì)帶來(lái)三項(xiàng)主要損失：
?用戶寫(xiě)入數(shù)據(jù)丟失
?閃存轉(zhuǎn)換層映射信息丟失
?物理?yè)p壞風(fēng)險(xiǎn)增大。固態(tài)硬盤(pán)在讀寫(xiě)過(guò)程中如果受到強(qiáng)烈震動(dòng)或突然斷電，磁頭會(huì)劃傷介質(zhì)
使用 MP5515 實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)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(pán)、非易失性雙列直插式存儲(chǔ)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(jí)電容更加可靠的鉭電容，另外還可以檢測(cè)電路的健康狀況以保證數(shù)據(jù)安全。
MP5515采用高壓儲(chǔ)能方式，集成了升壓、降壓、輸入限流、輸入反向電流閉鎖保護(hù)，以及斷電監(jiān)測(cè)功能。它只需一個(gè)電感器和小型反饋電壓電阻即可啟動(dòng)系統(tǒng)。
正常工作期間，MP5515 將能量存儲(chǔ)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(chǔ)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(dá) 32V 的可調(diào)存儲(chǔ)電壓
?高達(dá) 6A 的可調(diào)輸入限流
?5A 降壓負(fù)載能力
?可調(diào)VB 電壓 (VB) 上升斜率
?集成14mΩ MOSFET實(shí)現(xiàn)輸入限流
?輸入過(guò)壓保護(hù) (OVP)
?反向電流保護(hù) (RCP)
?輸入電源故障指示器
?備用電容健康測(cè)試
?集成電壓、電流和溫度檢測(cè)
MP5515 最大限度地減少了標(biāo)準(zhǔn)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(xì)討論 MP5515 在能量?jī)?chǔ)能與釋放管理方面所具有的戰(zhàn)略優(yōu)勢(shì)。
應(yīng)對(duì)突發(fā)斷電
為了最大限度地減少數(shù)據(jù)丟失，MP5515 設(shè)計(jì)有一個(gè)包含高能量密度電容器的斷電檢測(cè)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(cè)固態(tài)硬盤(pán)的電源電壓。當(dāng)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(hù)窗口期為數(shù)據(jù)從緩存閃存至NAND 提供了足夠的時(shí)間。之后，電容器形成放電路徑；一旦電源再次接通，電容器會(huì)快速充電。
電熔絲和集成雙向升降壓
當(dāng)系統(tǒng)供電充足時(shí)，輸入到輸出的隔離電路需要二極管、降壓和升壓。采用5個(gè)或以上FET和二極管不僅會(huì)增加功耗，還會(huì)降低效率。但MP5515通常只需要其集成的14mΩ MOSFET 就能實(shí)現(xiàn)輸入限流。
當(dāng)發(fā)生異常電源故障時(shí)，MP5515 的集成雙向升降壓變換器只有三個(gè) FET，這有助于降低功耗，同時(shí)最小化整個(gè)解決方案的尺寸。圖 2 顯示了當(dāng) VB為 7.5V 時(shí)，MP5515 在待機(jī)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(dāng) VB為 10V 時(shí)，MP5515 在待機(jī)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(chǔ)能電容器
依照能量守恒定律，當(dāng)儲(chǔ)能電容器電壓升高時(shí)，其容量顯著降低。MP5515可以將儲(chǔ)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(shí)降低。而通常情況下，儲(chǔ)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(gè)芯片與復(fù)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(gè)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(cè)
在固態(tài)硬盤(pán)的使用過(guò)程中，頻繁的充放電過(guò)程使電容器容易老化，儲(chǔ)能容量也會(huì)隨時(shí)間而降低。為了解決這個(gè)問(wèn)題，MP5515 集成了電容健康測(cè)試功能，它通過(guò)STRG 與RTEST之間連接的一個(gè)外部電阻器對(duì)儲(chǔ)能電容器進(jìn)行放電。檢測(cè)結(jié)果存儲(chǔ)在微控制器的數(shù)據(jù)寄存器中，并可通過(guò) I2C接口讀取。
根據(jù)能量守恒公式，可以輕松推導(dǎo)和計(jì)算出儲(chǔ)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(shí)間計(jì)數(shù)器的計(jì)算方法，這些參數(shù)都用于估算電容。
圖 6：MP5515 儲(chǔ)能電容檢測(cè)電路電源
備份模式的快速過(guò)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(gè)降壓模式開(kāi)關(guān)周期中，直到電感電流降至谷電流限值時(shí)，上管MOSFET (HS-FET)才會(huì)導(dǎo)通。當(dāng)雙向變換器通過(guò)儲(chǔ)能電容釋放能量時(shí)，采用恒定導(dǎo)通時(shí)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(shí)產(chǎn)生的壓降。
不同總線負(fù)載（其中 VB 負(fù)載為 1A 或 5A）下 ，VIN 斷電后的備用電源釋放過(guò)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(xì)節(jié)。
圖 8：MP5515 斷電轉(zhuǎn)換波形
圖 9 顯示出MP5515 對(duì)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(guò) I2C 通信進(jìn)行靈活的參數(shù)配置
MP5515 可以通過(guò) MPS 的 I2C GUI 進(jìn)行靈活定制，從而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)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(chǔ)能電容健康檢測(cè)
?具有電壓、電流和溫度檢測(cè)功能的 10 位 ADC
?儲(chǔ)能提升
?可調(diào)降壓頻率
?輸入恢復(fù)控制
?系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)
?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(shí)現(xiàn)的電源故障保護(hù)電路。
圖 11：電源故障保護(hù)電路
除了MP5515，MPS 還提供 MP5505 、MP5512 以及其他斷電保護(hù)解決方案。
結(jié)論
保護(hù)固態(tài)硬盤(pán)免受突發(fā)電源故障的影響對(duì)于維持串聯(lián)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)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(chǔ)能解決方案，為設(shè)備的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行保駕護(hù)航。這些應(yīng)用涵蓋了運(yùn)輸、網(wǎng)絡(luò)通信、工廠自動(dòng)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(hù)提供有力的支持。
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