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未雨绸缪！固态硬盘之意外掉电有“法宝”

MPS芯源系统

2020-10-14

导读：随着5G网络布建的脚步加快，未来各产业将倚赖5G技术互相串联，如何让大量设备串接时仍可维持稳定运作，成为首要课题。

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“2016年4月22日，某公司北京数据中心UPS升级改造因供电中断，导致机房全部设备断电，系统宕机，73家村镇银行的核心、支付、网银、手机银行等业务全部中断，涉及全国12个省份，恢复时间长达7小时32分钟，同时造成部分服务器、存储设备损坏，部分银行金融机构的开发测试系统、灾备系统、生产业务等系统相继中断。”（新闻截选自网络）

我们先不说此次事件导致的硬件设备损失，单是银行核心业务系统中断带来的经济损失就已无法预估，而且如此大面积故障，如果没有完善的应急灾备方案，必定会造成大量数据丢失。如果这个世界只存在正常“掉电”，那么就会简单很多。可是，正如歌里唱的那样：

“没有一点点防备，

也没有一丝顾虑，

你就这样出现在我的世界里，

带给我惊喜，

情不自已……”

突如其来的“掉电”，对SSD来说，没有“喜”，只有“惊”。系统“掉电”会给SSD带来下面三种“灾难”：

用户写入数据丢失。

这对企业级用户不能容忍。

闪存转换层映射信息丢失。

目前市场上SSD厂商都不会提供修复映射表的工具。

造成“坏块”增加。

下图是东芝HK3R企业级固态硬盘拆解，左侧两个显眼的大家伙就是它的断电保护用储能电容。

图1：KIOXA(原东芝存储)企业级固态硬盘（图片来源TweakTown）

研发更加有效的掉电保护技术是一门科学，更是一门艺术。那么，重点来了。

MPS可以提供电源管理！

MPS的芯片可以实现“掉电”保护！

MPS的能量管理解决方案可以做到未雨绸缪！

MPS推出的MP5515产品及附属电路构成了一种紧凑和高效的备电能源管理解决方案。它们针对企业级固态硬盘、非易失性双列直插式内存模块(NVDIMM)和其他具有备份系统要求应用而生。除了搭配比超级电容更可靠的钽质电容，也可侦测其健康状态，用户不仅能保护重要数据免于遗失，也能掌握电路的健康状况，有效守护数据安全。“妈妈再也不用担心我的SSD异常掉电了！”

MPS能量存储和释放管理解决方案，性能稳如磐石

MP5515基于高压储能的方法，集升压、降压、输入电流限和输入反向电流闭锁保护，以及所有“掉电”监控功能于一体，仅需单颗电感和少量电压反馈电阻即可实现系统备电。在正常工作中，MP5515将能量储存在高压电容器中。在电源故障的情况下，芯片将能量从存储电容器传输到总线电压线，以主动快速支持数据备份电源，简单，稳定又可靠。

2.7V至18V宽输入工作电压范围
反向电流保护（RCP）
高达32V可调存储电压
输入电源故障指示器
高达6A可调输入电流限
备用电容测试
5A Buck降压负载能力
综合电压、电流、温度检测
可调VB电压上升转换速率
过温保护
带集成14mΩ MOSFET输入电流限制器
输入过压保护（OVP）
采用 QFN-30 (5mmx5mm) 封装
I2C通信，多参数配置

MP5515这款“神器”最大限度地减少了标准外部元器件的使用，采用QFN (5mmx5mm)封装。还提供I2C通讯和模数转换功能。下面让我们一起来看看MPS能量存储和释放管理解决方案的法宝！

法宝1：意外掉电增强技术

为了最小化数据丢失，MP5515设计了包含高能量密度电容的掉电检测电路。如下图所示，E-Fuse模块会持续监控SSD的供电电压，一旦供电降低到设定的阈值，则预示意外掉电事件的发生。E-Fuse就会切断供电电路，同时电容所在电路形成通路并开始放电。充足的电力保护窗口，给予数据从缓存刷写到NAND充足的时间。当电源接通时，电容会快速充电。

图2：MP5515集成解决方案

法宝2：Efuse+集成双向buck-boost，更高效!

系统正常供电时，对于分离电路输入到输出需要经过Diode + BOOST + BUCK，超过5个或更多的场效应晶体管和二极管会导致功耗增加，效率较低。而对于MP5515，其输入到输出只用经过集成14mΩ MOSFET输入电流限制器。

异常“掉电“时，拥有专利的MP5515集成的双向buck-boost变换器只有3个场效应晶体管，可以进一步减小变换器的功率损耗和总的解决方案尺寸。下面分别两种输出电压条件下的MP5515 备电模式下的效率曲线。

图3：MP5515 BUCK模式效率曲线

法宝3：更小的储能电容，成本大大降低！

由能量守恒定律，当储能电容的电压可以达到更高的时候，其容量可以大幅度缩减。如，MP5515有能力将储能电容电压泵升到高达36V。在总能量需求一致的条件下，其相比于18V，8.4mF的储能电容电压，可将电容容量缩减至2.5mF以下，体积更小，ESR更小。

法宝4：高度集成，一颗芯片就够了！

对于分离解决方案，至少需要如图4所示的4颗甚至更多的芯片的组合和匹配，需要配合复杂的外围硬件电路和软件技术。而MPS仅用一颗MP5515，就足够了!

图4：分离解决方案和MPS解决方案及占用面积

图5：MP5515典型应用电路和少量的外部元器件

法宝5：电容健康检测技术，为储能电容保驾护航

考虑到在SSD使用过程中，由于大量的充放电过程，电容会慢慢老化同时伴随着电容电量降低，MP5515集成了电容健康检测。通过一个外部电阻从STRG到RTEST对储能电容进行放电测试。检测结果存储在数据寄存器中，供单片机通过I2C接口读取。

工程师可很容易地根据能量守恒公式推导并计算出储能电容的容值，由此可及时提醒是否需要更换储能电容。

图6：MP5515储能电容检测电路功率部分

法宝6：过渡过程，一个字，“快”！

下图显示了详细的系统掉电过程。降压模式具有最大电流限制功能，以限制释放电流。在每个降压模式开关周期中，高压侧开关直到电感电流降到谷值电流限时才会打开。在降压释放模式下，MP5515采用恒定导通时间控制（COT），以实现稳定的运行和快速的动态响应。它将升压充电模式转换为降压释放模式时的电压压降和过渡时间降至最低。

图7：MP5515掉电过渡过程波形

除此之外，MP5515还有很多频率选项(270kHz ~ 1.25MHz) 提供了多种电感选择的空间。

图8：MP5515具有不同的频率选项

法宝7：带I2C通信，参数配置随心所欲

工程师可对MP5515 高度定制。用户可通过 MPS I2C GUI 对 MP5515 进行在线操作，并可通过接口软件实现不限于下面所列的丰富功能。

储能电容健康检测
10位模数转换综合电压、电流、温度检测
储能升压使能
高达6A可调输入电流限
可调VB电压上升转换速率
可调BUCK频率
输入恢复控制
系统状态监测
中断屏蔽控制
可调过温预警阈值

图9：MPS EVKT-USBI2C-02 通信接口

下面是MP5515在企业级SSD中的应用实例之一：如MP5515+MP5470+MP28167-A。下表是应用参数示例。

图10：MP5515在企业级SSD中的应用实例示例

除了MP5515芯片，MPS还有MP5505，MP5512等多款掉电保护解决方案可供选择，并且我们还在研发功能更丰富，更加有效的掉电保护技术。更多详情请咨询我们的FAE哦~

随着5G网络布建的脚步加快，未来各产业将倚赖5G技术互相串联，如何让大量设备串接时仍可维持稳定运作，成为首要课题。对此，MPS不断开拓市场，持续推出层出不穷的支持PLP功能的能量存储和释放解决方案，专为户外或供电不稳定环境下的应用量身打造，适用于网络通讯、交通运输、智慧车载、监控、航天，或是需长时间稳定运作的工厂自动化设备、服务器、数据中心等。