【導讀】電源故障往往會產生多米諾骨牌效應，導致系統故障和數據丟失，并對服務器和設備造成損壞。本文將介紹如何使用 MP5515 來保護固態硬盤 (SSD) ，以避免其受到突發斷電的影響。
固態硬盤遭遇電源故障通常會帶來三項主要損失：
?用戶寫入數據丟失
?閃存轉換層映射信息丟失
?物理損壞風險增大。固態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
使用 MP5515 實現能量存儲與釋放管理
MP5515 是一款具備輸入電源調節能力的電源管理芯片（PMIC），可為企業固態硬盤、非易失性雙列直插式存儲器模塊 (NVIDMM) 以及其他應用提供緊湊、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據安全。
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。
正常工作期間，MP5515 將能量存儲在高壓電容器中。一旦發生電源故障，MP5515可以將能量從存儲電容器傳輸到總線電壓線上。這種能量傳輸為系統提供了穩定的備用電源。
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 的可調存儲電壓
?高達 6A 的可調輸入限流
?5A 降壓負載能力
?可調VB 電壓 (VB) 上升斜率
?集成14mΩ MOSFET實現輸入限流
?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通信以及模數轉換器 (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略優勢。
應對突發斷電
為了最大限度地減少數據丟失，MP5515 設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）模塊持續監測固態硬盤的電源電壓。當電源電壓下降至設定的閾值，即表示外部電源突然發生故障，電熔絲將切斷電源電路。充足的電源保護窗口期為數據從緩存閃存至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 就能實現輸入限流。
當發生異常電源故障時，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 的典型應用電路。
圖 4：MP5515 典型應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量。
圖5: MP5515的PCB布局
電容健康檢測
在固態硬盤的使用過程中，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。檢測結果存儲在微控制器的數據寄存器中，并可通過 I2C接口讀取。
根據能量守恒公式，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) 和時間計數器的計算方法，這些參數都用于估算電容。
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換到備用模式時產生的壓降。
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系統斷電
圖 8 顯示了MP5515 斷電的波形細節。
圖 8：MP5515 斷電轉換波形
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配置
MP5515 可以通過 MPS 的 I2C GUI 進行靈活定制，從而實現強大的功能。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
?可調降壓頻率
?輸入恢復控制
?系統狀態監測
?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。
結論
保護固態硬盤免受突發電源故障的影響對于維持串聯設備的穩定運行至關重要。MPS 不斷深耕該領域，推出能夠適應眾多應用的定制化儲能解決方案，為設備的長期穩定運行保駕護航。這些應用涵蓋了運輸、網絡通信、工廠自動化設備、監控系統、智能車載監控和數據中心。MP5515、MP5470、MP28167-A、MP5505 和 MP5512，多樣的能量管理解決方案將為您的設備供電與保護提供有力的支持。
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