SSD电源管理系统设计解决方案

高性能计算的发展，也推动着存储技术的演进，这些年固态硬盘（SSD）市场的火热，就是一个例证。

SSD是用固态电子存储芯片阵列制成的大容量存储设备，与传统的机械硬盘（HDD）相比，其具有读写速度快、功耗低、无噪音、轻便小巧、防震抗摔性强等优势，因此正在快速渗透到从数据中心到便携硬盘等各类数据存储应用。根据Yole Group的预测，到2028年，全球SSD市场规模预计将增长到670亿美元。

SSD电源管理系统设计三要素

如果我们拆解一块SSD，不难发现，其没有HDD那样复杂昂贵的机械装置，内部架构十分简洁，主要包括主控芯片、辅助主控芯片进行数据处理的缓存芯片，以及用于存储数据的闪存芯片。同时，对于SSD这类需要高速、稳定“运转”的设备，可靠的电源管理也不可或缺。这也是本文探讨的重点。

图1：典型的企业级SSD内部架构（图源：Qorvo）

具体来讲，SSD电源管理系统的设计，需要考虑三方面的因素：

01高集成

SSD中不同的电子组件需要多个电源轨为其供电，与此同时有限的空间又不允许电源管理系统占用太大PCB面积，因此基于分立器件的电源管理方案显然会面临更大的挑战，而高集成度的PMIC（电源管理集成电路）则是SSD电源管理设计更为理想的选择。

02灵活性

传统的PMIC虽然具有高集成、小尺寸的优势，但却有一个“短板”，即不够灵活——其通常更适合特定产品的电源架构要求，而当应用场景和设计规格发生变化时，则不再适用；而分立式电源系统，则可以通过简单调整电阻等外围元件对方案进行微调，以适应新的设计要求。

为了补齐这一短板，今天很多优秀的PMIC产品已经进化出了“可编程”的特性，即在相同的硬件架构下，用户可对PMIC进行实时动态编程，也可在PMIC出货前根据客户的规格要求对其进行定制设置。这意味着，在保有高集成优势的同时，同一款高性能 PMIC 可适用于多种产品变体或不同产品线，为设计开发带来更大的灵活性。一个可编程PMIC在系统设计上展现出的优势，如下图所示。

图2：可编程PMIC显著简化BOM并减小方案尺寸（图源：Qorvo）

03可靠性

与其他应用不同，SSD的电源系统对于可靠性有着更为苛刻的要求，以避免数据存储过程中完整性和安全性上的风险。

为此，PLP（掉电保护）是一个不可或缺的功能，其原理是通过使用特殊PLP电容器存储足够的能量，在系统断电时利用这些能量，为系统提供额外的运行时间，以便安全地将数据从驱动器的临时存储移动到永久存储器，确保数据在系统重新通电后仍然存在且可访问。

为了实现PLP，需要在SSD系统中配置PLP电容器、PLP调节器，以及相关的控制软件，以优化断电时数据写入方式，确保数据安全并降低出错的可能性（如图1所示）。

图3：PLP功能延长电源供电时间（图源：Qorvo）

总之，更高的集成度、灵活性和可靠性，是SSD电源管理系统设计的三个关键要素。出色的SSD电源管理系统，一定是能够集三个要素于一身的差异化解决方案。来自Qorvo公司的ACT85411电源管理IC，就是这样的解决方案。

图4：ACT85411电源管理IC（图源：Qorvo）

PMIC+PLP二合一解决方案

从基本的电源管理功能来看，ACT85411具有2.7V至14.8V的宽输入范围，多轨输出包括：两个10A（峰值12A）的降压调节器，输出范围为0.6V至5.26V；一个低电流5V固定降压调节器，可为高达200mA的内部和外部负载供电；一个1A升降压调节器，输出范围为9.6V至16V；以及一个200mA LDO。因此，ACT85411完全可以满足SSD系统多电源轨供电的要求。

同时，ACT85411还配置了6个可编程GPIO，用于状态报告、时序控制、系统自动放电和中断。可以说，ACT85411是Qorvo可编程PMIC产品线中一款功能全面、性能优异的产品。

图5：ACT85411系统框图（图源：Qorvo）

不过，进一步观察我们会发现ACT85411更大的亮点——在一个6mm x 6mm紧凑封装中，同时集成了PMIC和PLP功能，而传统的SSD设计中，这两个功能是由两颗独立的IC分别实现的。

图6：ACT85411在单个封装集成了PMIC和PLP（图源：Qorvo）

如图6所示，ACT85411中的PLP功能电路包括一个eFuse和背靠背MOSFET，用于输入与输出之间的双向隔离，这种设置可在热插拔过程中控制浪涌电流以保护器件。位于eFuse之后的阻断MOSFET，将输入总线与降压/升压调节器和储能电容器分离，确保即使在电容器失效时也能正常工作。该MOSFET还能够在启动时以低电流为电容器充电。

在稳定电源供电的情况下，PLP中的降压/升压调节器作为升压调节器工作，将电容器充电至高于输入的电压；而在发生断电时，该调节器则会切换到降压模式，从电容器中提取能量为系统供电。

同时，一个ADC以及电容器健康监测系统会检测电压、电流、温度和电容器状况，以确保系统的可靠运行。

显而易见，由于采用了独特的PMIC + PLP二合一的架构，基于ACT85411设计的SSD系统解决方案，与传统的方案（参见图1）相比，架构大为简化，更加有利于减小SSD解决方案的尺寸、缩短设计时间，并优化BOM和供应链管理。

图7：基于ACT85411的SSD系统方案（图源：Qorvo）

不断扩展的产品组合

值得一提的是，Qorvo这种创新的“PMIC+PLP”高集成产品组合，还在不断扩展中，以满足更多样化的应用所需。除了ACT85411，ACT85610也是值得推荐的一款产品。

ACT85610具有2.7V-14V的宽输入范围，提供三路4A (峰值6A) 降压输出，一路 1A (峰值3A) 降压输出，一路升压至12V (1A) 和一路100mA降压输出 (带50mA LDO)。该器件包含六个可配置的 GPIO，并配有一个用于系统监测的12位ADC。

ACT85610具有浪涌保护功能，同样使用背对背FET在故障条件下隔离输入电压。其PLP功能在正常运行时，可通过集成升压器将储能电容充电至 31V，由于采用高电压储能，因此使用相对较小的电容就能实现所需的保持时间，有利于进一步优化系统的外形尺寸。

图8：ACT85610系统框图（图源：Qorvo）

本文小结

今天，SSD已经成为数据存储市场中的新宠，市场竞争也日趋激烈。SSD产品在存储容量、速度等核心性能指标上的狂飙，少不了高集成、高灵活、高可靠电源系统的支撑。

在这一需求的推动下，整合PLP与PMIC的高度集成的解决方案应运而生。而Qorvo正是这一趋势的积极践行者，推出了以ACT85411为代表的创新电源管理产品，为高性能计算系统中SSD的可靠运行，构建了经济高效且功能丰富的电源解决方案。