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如何利用MP5515預(yù)防突發(fā)電源故障

發(fā)布時(shí)間:2022-04-21 來(lái)源:MPS 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】電源故障往往會(huì)產(chǎn)生多米諾骨牌效應(yīng),導(dǎo)致系統(tǒng)故障和數(shù)據(jù)丟失,并對(duì)服務(wù)器和設(shè)備造成損壞。本文將介紹如何使用 MP5515 來(lái)保護(hù)固態(tài)硬盤(pán) (SSD) ,以避免其受到突發(fā)斷電的影響。

 

固態(tài)硬盤(pán)遭遇電源故障通常會(huì)帶來(lái)三項(xiàng)主要損失:


?用戶(hù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)丟失

?閃存轉(zhuǎn)換層映射信息丟失

?物理?yè)p壞風(fēng)險(xiǎn)增大。固態(tài)硬盤(pán)在讀寫(xiě)過(guò)程中如果受到強(qiáng)烈震動(dòng)或突然斷電,磁頭會(huì)劃傷介質(zhì)


使用 MP5515 實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)與釋放管理


MP5515 是一款具備輸入電源調(diào)節(jié)能力的電源管理芯片(PMIC),可為企業(yè)固態(tài)硬盤(pán)、非易失性雙列直插式存儲(chǔ)器模塊 (NVIDMM) 以及其他應(yīng)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(jí)電容更加可靠的鉭電容,另外還可以檢測(cè)電路的健康狀況以保證數(shù)據(jù)安全。


MP5515采用高壓儲(chǔ)能方式,集成了升壓、降壓、輸入限流、輸入反向電流閉鎖保護(hù),以及斷電監(jiān)測(cè)功能。它只需一個(gè)電感器和小型反饋電壓電阻即可啟動(dòng)系統(tǒng)。

 

正常工作期間,MP5515 將能量存儲(chǔ)在高壓電容器中。一旦發(fā)生電源故障,MP5515可以將能量從存儲(chǔ)電容器傳輸?shù)娇偩€(xiàn)電壓線(xiàn)上。這種能量傳輸為系統(tǒng)提供了穩(wěn)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(dá) 32V 的可調(diào)存儲(chǔ)電壓

?高達(dá) 6A 的可調(diào)輸入限流

?5A 降壓負(fù)載能力

?可調(diào)VB 電壓 (VB) 上升斜率

?集成14mΩ MOSFET實(shí)現(xiàn)輸入限流

?輸入過(guò)壓保護(hù) (OVP)

?反向電流保護(hù) (RCP)

?輸入電源故障指示器

?備用電容健康測(cè)試

?集成電壓、電流和溫度檢測(cè)

 

MP5515 最大限度地減少了標(biāo)準(zhǔn)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(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。下面將詳細(xì)討論 MP5515 在能量?jī)?chǔ)能與釋放管理方面所具有的戰(zhàn)略?xún)?yōu)勢(shì)。


應(yīng)對(duì)突發(fā)斷電


為了最大限度地減少數(shù)據(jù)丟失,MP5515 設(shè)計(jì)有一個(gè)包含高能量密度電容器的斷電檢測(cè)電路。圖 1 所示為采用MP5515 的集成解決方案。


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圖1:采用MP5515 的集成解決方案


電熔絲(E-fuse)模塊持續(xù)監(jiān)測(cè)固態(tài)硬盤(pán)的電源電壓。當(dāng)電源電壓下降至設(shè)定的閾值,即表示外部電源突然發(fā)生故障,電熔絲將切斷電源電路。充足的電源保護(hù)窗口期為數(shù)據(jù)從緩存閃存至NAND 提供了足夠的時(shí)間。之后,電容器形成放電路徑;一旦電源再次接通,電容器會(huì)快速充電。


電熔絲和集成雙向升降壓


當(dāng)系統(tǒng)供電充足時(shí),輸入到輸出的隔離電路需要二極管、降壓和升壓。采用5個(gè)或以上FET和二極管不僅會(huì)增加功耗,還會(huì)降低效率。但MP5515通常只需要其集成的14mΩ MOSFET 就能實(shí)現(xiàn)輸入限流。

 

當(dāng)發(fā)生異常電源故障時(shí),MP5515 的集成雙向升降壓變換器只有三個(gè) FET,這有助于降低功耗,同時(shí)最小化整個(gè)解決方案的尺寸。圖 2 顯示了當(dāng) VB為 7.5V 時(shí),MP5515 在待機(jī)功耗模式下的效率曲線(xiàn)。


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圖 2:MP5515 降壓效率曲線(xiàn)(VB = 7.5V)


圖 3 顯示了當(dāng) VB為 10V 時(shí),MP5515 在待機(jī)功耗模式下的效率曲線(xiàn)。


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圖 3:MP5515 降壓效率曲線(xiàn)(VB = 10V)


更小的儲(chǔ)能電容器


依照能量守恒定律,當(dāng)儲(chǔ)能電容器電壓升高時(shí),其容量顯著降低。MP5515可以將儲(chǔ)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(shí)降低。而通常情況下,儲(chǔ)能電容的額定電壓為18V,電容為8.4mF。


高度集成的芯片


傳統(tǒng)解決方案通常需要將至少4個(gè)芯片與復(fù)雜的外圍硬件電路和軟件技術(shù)相匹配。而MP5515 提供了僅需單個(gè)電感的集成解決方案。 圖 4 所示為MP5515 的典型應(yīng)用電路。


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圖 4:MP5515 典型應(yīng)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(shù)量。


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圖5: MP5515的PCB布局


電容健康檢測(cè)


在固態(tài)硬盤(pán)的使用過(guò)程中,頻繁的充放電過(guò)程使電容器容易老化,儲(chǔ)能容量也會(huì)隨時(shí)間而降低。為了解決這個(gè)問(wèn)題,MP5515 集成了電容健康測(cè)試功能,它通過(guò)STRG 與RTEST之間連接的一個(gè)外部電阻器對(duì)儲(chǔ)能電容器進(jìn)行放電。檢測(cè)結(jié)果存儲(chǔ)在微控制器的數(shù)據(jù)寄存器中,并可通過(guò) I2C接口讀取。

 

根據(jù)能量守恒公式,可以輕松推導(dǎo)和計(jì)算出儲(chǔ)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(shí)間計(jì)數(shù)器的計(jì)算方法,這些參數(shù)都用于估算電容。


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圖 6:MP5515 儲(chǔ)能電容檢測(cè)電路電源


備份模式的快速過(guò)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(gè)降壓模式開(kāi)關(guān)周期中,直到電感電流降至谷電流限值時(shí),上管MOSFET (HS-FET)才會(huì)導(dǎo)通。當(dāng)雙向變換器通過(guò)儲(chǔ)能電容釋放能量時(shí),采用恒定導(dǎo)通時(shí)間 (COT) 控制,以最大限度地降低器件從充電模式轉(zhuǎn)換到備用模式時(shí)產(chǎn)生的壓降。

 

不同總線(xiàn)負(fù)載(其中 VB 負(fù)載為 1A 或 5A)下 ,VIN 斷電后的備用電源釋放過(guò)程如圖 7 所示。


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圖7: MP5515系統(tǒng)斷電


圖 8 顯示了MP5515 斷電的波形細(xì)節(jié)。


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圖 8:MP5515 斷電轉(zhuǎn)換波形


圖 9 顯示出MP5515 對(duì)270kHz 至 1.25MHz 的寬頻率范圍、以及各種電感的支持。


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圖9: MP5515支持寬頻率范圍


通過(guò) I2C 通信進(jìn)行靈活的參數(shù)配置


MP5515 可以通過(guò) MPS 的 I2C GUI 進(jìn)行靈活定制,從而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)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(shù)的功能特性如下:


?儲(chǔ)能電容健康檢測(cè)

?具有電壓、電流和溫度檢測(cè)功能的 10 位 ADC

?儲(chǔ)能提升

?可調(diào)降壓頻率

?輸入恢復(fù)控制

?系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)

?中斷屏蔽控制


圖 10 顯示了MPS提供的通信套件 (EVKT-USBI2C-02).


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圖 10:MPS EVKT-USBI2C-02 通信接口


圖 11 顯示了采用 MP5515 、 MP5470 和 MP28167-A 實(shí)現(xiàn)的電源故障保護(hù)電路。


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圖 11:電源故障保護(hù)電路


除了MP5515,MPS 還提供 MP5505 、MP5512 以及其他斷電保護(hù)解決方案。


結(jié)論


保護(hù)固態(tài)硬盤(pán)免受突發(fā)電源故障的影響對(duì)于維持串聯(lián)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。MPS 不斷深耕該領(lǐng)域,推出能夠適應(yīng)眾多應(yīng)用的定制化儲(chǔ)能解決方案,為設(shè)備的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行保駕護(hù)航。這些應(yīng)用涵蓋了運(yùn)輸、網(wǎng)絡(luò)通信、工廠自動(dòng)化設(shè)備、監(jiān)控系統(tǒng)、智能車(chē)載監(jiān)控和數(shù)據(jù)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(shè)備供電與保護(hù)提供有力的支持。



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