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一款基于法拉電容的UPS電路設計思路

發(fā)布時間:2018-01-15 來源:ZLG致遠電子 責任編輯:lina

【導讀】您是否有遇到使用中的程序無故丟失?產(chǎn)品調(diào)試非常穩(wěn)定,布置到現(xiàn)場后頻繁系統(tǒng)崩潰和數(shù)據(jù)遺失,亦或產(chǎn)品應用一年后批量涌現(xiàn)存儲器件損壞?本文將深入探明這些問題的原因及提供參考解決方案。


Nand-Flash/eMMC(帶有Flash控制器的Nand-Flash)作為一種非線性宏單元模式存儲器,為固態(tài)大容量存儲的實現(xiàn)提供了廉價有效的解決方案。Nand-Flash存儲器具有容量大,改寫速度快等優(yōu)點,適用于大量數(shù)據(jù)的存儲,因而越來越廣泛地應用在如嵌入式產(chǎn)品、智能手機、云端存儲資料庫等業(yè)界各領(lǐng)域。
 
 
 
圖1 Nand-Flash與eMMC芯片
 
一、存儲器件使用壽命
 
使用了Nand-Flash的主板出現(xiàn)丟數(shù)據(jù)掉程序現(xiàn)象,是一個讓無數(shù)工程師毛骨悚然的事故。眼看著程序用著用著就消失了,只能干著急也無法下手。有經(jīng)驗的工程師手起刀落換上一顆新物料,熬夜補代碼繼續(xù)撐過半個項目周期?;仡^無處發(fā)泄還要大刀闊斧換廠商、換品牌。與其換幾片Nand-Flash還能負擔得起,但畢竟這是一個無底洞,不如去深入探明問題原因,不然散盡家財也無法彌補虧空。
 
器件數(shù)據(jù)手冊中通常描述Nand-Flash的塊擦寫壽命達10萬次,EMMC的塊擦寫最高也會有1萬次;同理,EEPROM、SD卡、CF卡、U盤、Flash硬盤等存儲介質(zhì)在都存在寫壽命的問題。在文件系統(tǒng)向?qū)憯?shù)據(jù)的底層存儲器塊寫數(shù)據(jù)時,常規(guī)會先將塊里的數(shù)據(jù)讀出來,擦除塊干凈后,將需要寫入的數(shù)據(jù)和之前讀出來的塊數(shù)據(jù)一起在回寫到存儲器里面去,如果文件系統(tǒng)寫平衡沒有處理好,特別是要求1分鐘以內(nèi)要記錄一次數(shù)據(jù)這樣頻繁的擦寫塊操作,就有可能將Nand-Flash或EMMC的塊寫壞。
 
二、存儲器件掉電丟數(shù)據(jù)
 
文件系統(tǒng)向存儲器寫數(shù)據(jù)時,常規(guī)是先將塊里的數(shù)據(jù)讀出來,擦除塊干凈后,將需要寫入的數(shù)據(jù)和之前讀出來的塊數(shù)據(jù)一起在回寫到存儲器里面去。如果設備在擦除塊過程中或者在回寫數(shù)據(jù)過程中意外發(fā)生斷電甚至電壓不穩(wěn)定,均會造出數(shù)據(jù)丟失或者損壞。如果丟失的數(shù)據(jù)是文件系統(tǒng)的FAT表,則會造成文件系統(tǒng)崩潰。這就是引起系統(tǒng)程序無法啟動災難性后果的原因。
 
三、系統(tǒng)數(shù)據(jù)保護方案
 
很多時候,產(chǎn)品在未出廠前燒錄程序、反復測試,無論怎樣折騰也不會出現(xiàn)丟程序的情況。這可能的因素是測試設備保證了穩(wěn)定的運行中電源輸出,因此系統(tǒng)運行中正常的Flash保護機制是可靠執(zhí)行的。
 
相對于用戶實際使用而言,想避免Flash損壞的情況。需要嚴格遵守產(chǎn)品說明使用,尤其注意避免在Flash擦除或?qū)懭脒^程中人為地突然掉電。這是存儲器件用法的一個大忌,即使完好的器件,如此不規(guī)范的使用也會大大縮短其壽命。而且不同環(huán)境下的電源系統(tǒng)五花八門,在電源不滿足功率要求情況下程序?qū)τ陔娫吹碗娏康臋z測閾值較低,此時強制啟動系統(tǒng)或執(zhí)行寫操作更會加劇系統(tǒng)耗電波動,巨大的紋波也會引起CPU對存儲的誤操作。
 
解決此問題對于軟件方面而言:
 
調(diào)試系統(tǒng)或現(xiàn)場使用時,建議使用軟件復位,避免人為頻繁的通過斷電實現(xiàn)復位操作;有斷電必要時,將打印信息添加如“系統(tǒng)加載完成”、“數(shù)據(jù)保存完畢”等指示說明后操作;
 
軟件采取Flash均衡保存算法,高效地調(diào)整更改數(shù)據(jù)時擦除的Flash區(qū)域大??;
 
可將數(shù)據(jù)先寫入內(nèi)存或者鐵電存儲器,然后定期的再將數(shù)據(jù)搬移到大的存儲器里面,減少直接斷Nand-Flash、EMMC擦寫次數(shù);
 
在程序中加入或者提高電源電量檢測的閾值,程序上保證所有電源系統(tǒng)下的芯片在此閾值上均可以正常工作。
 
讀寫過程中仔細對壞塊表進行維護更新,避免程序?qū)懭雺膲K。讀取數(shù)據(jù)時對ECC校驗,確保讀取數(shù)據(jù)無誤。
 
從硬件角度考慮需要注意:
 
用法上避免在Flash擦除或?qū)懭脒^程中人為突然掉電;
 
設計好處理控制核心的電源系統(tǒng),防止CPU等在啟動、運行中,電源系統(tǒng)因瞬時變化引起的紋波等情況;
 
搭配掉電檢測電路,在檢測到外部電源掉電的同時,及時迅速關(guān)閉文件系統(tǒng),停止向文件系統(tǒng)內(nèi)寫數(shù)據(jù)的操作;
 
添加文件系統(tǒng)電源域UPS電源,乃至整機掉電續(xù)航工作電源;
 
對于使用EEPROM等小容量存儲的用戶而言,可以考慮使用高可靠性的鐵電材料加工制成的鐵電非易失性存儲器FRAM來替換。FRAM可以像RAM一樣快速讀寫。數(shù)據(jù)在掉電后可以保存10年,且其讀寫壽命高達100億次,比EEPROM和其他非易失性記憶體系統(tǒng)可靠性更高,結(jié)構(gòu)更簡單,功耗低等優(yōu)點。
 
 
圖2 鐵電材料非易失性存儲器
 
下面簡介一款基于法拉電容的UPS電路設計思路,要點如下:
 
由于電容存在個體差異,電容存儲電荷的速率不一樣,存在過充造成電壓超過耐壓值的問題,電路中存在多顆法拉電容時需要做均壓處理;
 
為保證電容能夠充滿電能,源端需采用恒流源充電;
 
為維持電容電壓穩(wěn)定,并降低充電電路功耗,需增加過壓檢測電路;
 
若對電壓高于法拉電容本身電壓上限的電源系統(tǒng)提供掉電續(xù)航時,Vcc_backup端需通過BOOST升壓電路后以實現(xiàn),且注意系統(tǒng)正常時(充電過程中)關(guān)斷EN腳。
 
 
圖3 基于法拉電容的UPS核心電路
 
系統(tǒng)電源正常時,充電電路即給UPS充電。系統(tǒng)電源掉電時,UPS放電給系統(tǒng)提供備用電能,建議UPS在掉電后能持續(xù)給文件系統(tǒng)供電能力不低于10秒,在10秒續(xù)航期間內(nèi),系統(tǒng)可以將電源異常狀態(tài)上報、及時保持臨時重要數(shù)據(jù)、關(guān)閉文件系統(tǒng),保證系統(tǒng)穩(wěn)定性,避免文件系統(tǒng)在掉電情況下出現(xiàn)損害,影響應用程序的正常啟動。
 
 
圖4 建議UPS充放電時序
 
此外系統(tǒng)掉電情況需要掉電檢測電路實現(xiàn)。使用一顆比較器器件即可,注意使用Output_VCC端供電,以確保外部掉電時,比較器仍然可以工作。比較器負端連接一個參考電壓,參考電壓由穩(wěn)壓二極管提供。正常供電時,比較器輸出電壓由升壓電路的反饋端分壓決定;掉電時,比較器輸出低電平,此時處理器仍未掉電,收到狀態(tài)信息可及時響應處理。另一路掉電檢測可供其它功能使用。
 
 
圖5 系統(tǒng)掉電檢測電路
 
四、工業(yè)品質(zhì)穩(wěn)定可靠
 
在ARM內(nèi)核核心板、開發(fā)板、工控機等領(lǐng)域,M6708核心板、M/A335x核心板、M/A28x核心板、EPC系列工控主板、IoT系列無線主板/網(wǎng)關(guān)、DCP系列經(jīng)典工控機等產(chǎn)品中,核心板產(chǎn)品針對Nand-Flash有著完善的壞塊管理、工控主板添加掉電保護等措施。例如在Linux系統(tǒng)下加固Flash驅(qū)動、對操作系統(tǒng)進行雙備份;軟件與硬件信號測試對Flash進行10萬次掉電試驗等。
 
同時,致遠電子配備專業(yè)的EMC實驗室、安規(guī)實驗室、環(huán)境實驗室等可實際模擬惡劣應用狀況試驗。結(jié)合優(yōu)質(zhì)供應商保證各產(chǎn)品分立器件均達到EMC工業(yè)三級標準,有良好的靜電抗性、雷擊浪涌抗性、電瞬變?nèi)好}沖抗性、以及極低的EMI傳導騷擾情況;可實現(xiàn)-40℃~+85℃的工業(yè)級環(huán)境適應性。為從Flash至整套目標系統(tǒng)的可靠性安全穩(wěn)定提供切實保障。 
 
 
圖6 DCP-1000L產(chǎn)品剖析圖示
 
 

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