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固态硬盘电源架构优化

作者:时间:2012-10-29来源:网络收藏
图4:最小尺寸SSD电源解决方案效率.jpg

图4:最小尺寸SSD解决方案效率。

图5:最小尺寸SSD电源解决方案响应时间.jpg

图5:最小尺寸SSD解决方案响应时间。

第三种SSD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.jpg

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.jpg

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.jpg

图8:全功能、最小尺寸和最高效率解决方案的效率对比。

表1:全功能、最小尺寸和最高效率解决方案的性能对比。

表1:全功能、最小尺寸和最高效率解决方案的性能对比.jpg

这三种SSD电源解决方案具有截然不同、明显的优点和缺点。全功能解决方案可严格控制电磁干扰,其为某些应用的基本要求。另外,它还具有较高的效率,特别是在负载电流更强时。但是,当负载减小时效率逐渐降低,并且解决方案尺寸(面积)和高度比其它两种解决方案要大。在有严格EMI规定或者辐射要求的应用中,或者在不要求小尺寸的情况下,它是一种完全可以接受的解决方案。

最后两种解决方案经过后,可以实现最高性能的SSD系统。相比全功能解决方案,最小尺寸解决方案和最高效率解决方案的响应时间更短、电压更低。这让主机ASIC可以在没有SMPS输出电压的情况下更快地启动SSD,并且更加迅速地对其进行读写操作,从而留出调整窗口,触发系统重置。在这两种解决方案中,对于要求绝对最小解决方案尺寸的SSD而言,最小尺寸解决方案为理想选择。这样,可以为SSD系统的其它元件留出最大的面积,可带来更大存储容量的SSD。如果可以使用稍大尺寸的SMPS解决方案,则最高效率解决方案可实现比全功能解决方案更高的效率,同时仅占用其一半的面积。强负载电流下,它的效率不受SMPS本身的限制,但却受限于所选择的电感(例如:Coilcraft LPS4414-332)。更大负载时,电阻损耗(电感DCR和MOSFET Rds-on)超过了频率依赖型损耗。因此,随着负载增加,低开关频率工作的效率优势被削弱。使用更低DCR的大尺寸电感时,最高效率解决方案的效率在整个负载范围都超过了全功能解决方案的效率。同第三个例子一样,它在大负载条件下的效率与全功能解决方案相当,但解决方案尺寸和高度却仅为其一半。

SSD设计师们面对的一个终极挑战是为不同容量的SSD设计电源,其要求电流大小随容量变化而不同。如果某个SSD仅需要500mA电流,则3A的SSD电源就超出了设计需要,并且成本也过高。不同容量的SSD需要使用一种可调型电源,从而实现设计重用,并降低全新SMPS设计相关的NRE成本。幸运的是,最小尺寸解决方案和最高效率解决方案所使用的SMPS IC,均可以与高低负载电流版本实现针脚对针脚的兼容。在设计更小容量的SSD时,可以使用小电流SMPS IC,以达到降低材料清单成本的目的。同样,使用大电流SMPS集成电路版本,可马上增加SMPS的输出电流能力,以为更大容量的SSD供电。

结论

在确定电源时,系统设计师需要谨慎考虑其设计目标。SSD是否会被用于高度稳定、对电磁干扰敏感的环境(例如:医院等)?是否需要SSD完全匹配机械的体积因数和尺寸,从而达到直接替换掉机械的目的?SSD是否会被用于服务器机房,并且那里的电价不断飙升?我们必须根据这些考虑因素(电磁干扰、尺寸和效率),在三种不同类型的版SSD电源解决方案之间进行平衡与折中。在考虑到这些设计目标之后,最佳的开关式电源可使硬盘获得最高的性能,并满足许多应用的需求。


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