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如何利用MP5515预防突发电源故障

电源故障往往会产生多米诺骨牌效应,导致系统故障和数据丢失,并对服务器和设备造成损坏。本文将介绍如何使用 MP5515 来保护固态硬盘 (SSD) ,以避免其受到突发断电的影响。

固态硬盘遭遇电源故障通常会带来三项主要损失:


•用户写入数据丢失

•闪存转换层映射信息丢失

•物理损坏风险增大。固态硬盘在读写过程中如果受到强烈震动或突然断电,磁头会划伤介质


使用 MP5515 实现能量存储与释放管理


MP5515 是一款具备输入电源调节能力的电源管理芯片(PMIC),可为企业固态硬盘、非易失性双列直插存储器模块 (NVIDMM) 以及其他应用提供紧凑、高效的备用电源管理解决方案。该芯片包含比超级电容更加可靠的钽电容,另外还可以检测电路的健康状况以保证数据安全。


MP5515采用高压储能方式,集成了升压、降压、输入限流、输入反向电流闭锁保护,以及断电监测功能。它只需一个电感器和小型反馈电压电阻即可启动系统。


正常工作期间,MP5515 将能量存储在高压电容器中。一旦发生电源故障,MP5515可以将能量从存储电容器传输到总线电压线上。这种能量传输为系统提供了稳定的备用电源。


MP5515 的其他主要特性包括:


•2.7V 至 18V 的宽工作输入电压 (VIN) 范围

•高达 32V 的可调存储电压

•高达 6A 的可调输入限流

•5A 降压负载能力

•可调VB 电压 (VB) 上升斜率

•集成14mΩ MOSFET实现输入限流

•输入过压保护 (OVP)

•反向电流保护 (RCP)

•输入电源故障指示器

•备用电容健康测试

•集成电压、电流和温度检测


MP5515 最大限度地减少了标准外部元器件的使用,采用 30-引脚 QFN (5mmx5mm)封装。该器件还提供 I2C通信以及模数转换器 (ADC)。下面将详细讨论 MP5515 在能量储能与释放管理方面所具有的战略优势。


应对突发断电


为了最大限度地减少数据丢失,MP5515 设计有一个包含高能量密度电容器的断电检测电路。图 1 所示为采用MP5515 的集成解决方案。


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图1:采用MP5515 的集成解决方案


电熔丝(E-fuse)模块持续监测固态硬盘的电源电压。当电源电压下降至设定的阈值,即表示外部电源突然发生故障,电熔丝将切断电源电路。充足的电源保护窗口期为数据从缓存闪存至NAND 提供了足够的时间。之后,电容器形成放电路径;一旦电源再次接通,电容器会快速充电。


电熔丝和集成双向升降压


当系统供电充足时,输入到输出的隔离电路需要二极管、降压和升压。采用5个或以上FET和二极管不仅会增加功耗,还会降低效率。但MP5515通常只需要其集成的14mΩ MOSFET 就能实现输入限流。


当发生异常电源故障时,MP5515 的集成双向升降压变换器只有三个 FET,这有助于降低功耗,同时最小化整个解决方案的尺寸。图 2 显示了当 VB为 7.5V 时,MP5515 在待机功耗模式下的效率曲线。


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图 2:MP5515 降压效率曲线(VB = 7.5V)


图 3 显示了当 VB为 10V 时,MP5515 在待机功耗模式下的效率曲线。


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图 3:MP5515 降压效率曲线(VB = 10V)


更小的储能电容器


依照能量守恒定律,当储能电容器电压升高时,其容量显著降低。MP5515可以将储能电容器的电压提高到36V,在恒定能量需求之下,电容可降至 2.5mF ,ESR也同时降低。而通常情况下,储能电容的额定电压为18V,电容为8.4mF。


高度集成的芯片


传统解决方案通常需要将至少4个芯片与复杂的外围硬件电路和软件技术相匹配。而MP5515 提供了仅需单个电感的集成解决方案。 图 4 所示为MP5515 的典型应用电路。


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图 4:MP5515 典型应用电路及其外部元器件


由图 5可以看出,MP5515最大限度地减少了所需的外部元器件数量。


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图5: MP5515的PCB布局


电容健康检测


在固态硬盘的使用过程中,频繁的充放电过程使电容器容易老化,储能容量也会随时间而降低。为了解决这个问题,MP5515 集成了电容健康测试功能,它通过STRG 与RTEST之间连接的一个外部电阻器对储能电容器进行放电。检测结果存储在微控制器的数据寄存器中,并可通过 I2C接口读取。


根据能量守恒公式,可以轻松推导和计算出储能电容,然后确定是否需要更换电容器。图 6 显示了 VINITIAL(DATA2), VFINAL(DATA1) 和时间计数器的计算方法,这些参数都用于估算电容。


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图 6:MP5515 储能电容检测电路电源


备份模式的快速过渡


降压模式支持最大电流限制功能,以限制释放的电流。在每个降压模式开关周期中,直到电感电流降至谷电流限值时,上管MOSFET (HS-FET)才会导通。当双向变换器通过储能电容释放能量时,采用恒定导通时间 (COT) 控制,以最大限度地降低器件从充电模式转换到备用模式时产生的压降。


不同总线负载(其中 VB 负载为 1A 或 5A)下 ,VIN 断电后的备用电源释放过程如图 7 所示。


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图7: MP5515系统断电


图 8 显示了MP5515 断电的波形细节。


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图 8:MP5515 断电转换波形


图 9 显示出MP5515 对270kHz 至 1.25MHz 的宽频率范围、以及各种电感的支持。


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图9: MP5515支持宽频率范围


通过 I2C 通信进行灵活的参数配置


MP5515 可以通过 MPS 的 I2C GUI 进行灵活定制,从而实现强大的功能。除了前文所述的MP5515主要特性以外,可以灵活配置参数的功能特性如下:


•储能电容健康检测

•具有电压、电流和温度检测功能的 10 位 ADC

•储能提升

•可调降压频率

•输入恢复控制

•系统状态监测

•中断屏蔽控制


图 10 显示了MPS提供的通信套件 (EVKT-USBI2C-02).


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图 10:MPS EVKT-USBI2C-02 通信接口


图 11 显示了采用 MP5515 、 MP5470 和 MP28167-A 实现的电源故障保护电路。


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图 11:电源故障保护电路


除了MP5515,MPS 还提供 MP5505 、MP5512 以及其他断电保护解决方案。


结论


保护固态硬盘免受突发电源故障的影响对于维持串联设备的稳定运行至关重要。MPS 不断深耕该领域,推出能够适应众多应用的定制化储能解决方案,为设备的长期稳定运行保驾护航。这些应用涵盖了运输、网络通信、工厂自动化设备、监控系统、智能车载监控和数据中心。MP5515、MP5470、MP28167-A、MP5505 和 MP5512,多样的能量管理解决方案将为您的设备供电与保护提供有力的支持。






THE END
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