揭秘专为 SSD 固态硬盘定制的高性能 PMIC

随着高性能计算的不断发展，存储技术也在持续演进。固态硬盘（SSD）作为一种用固态电子存储芯片阵列制成的大容量存储设备，近年来市场热度持续攀升。与传统的机械硬盘（HDD）相比，SSD 具有读写速度快、功耗低、无噪音、轻便小巧、防震抗摔性强等显著优势，正迅速渗透到从数据中心到便携硬盘等各类数据存储应用中。根据 Yole Group 的预测，到 2028 年， 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

拆解一块 SSD 可以发现，其内部架构十分简洁，没有 HDD 那样复杂昂贵的机械装置，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。对于 SSD 这类需要高速、稳定 “运转” 的设备而言，可靠的电源管理至关重要，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以下三方面因素：

1. 高集成：SSD 中不同的电子组件需要多个电源轨为其供电，然而有限的空间又不允许电源管理系统占用太大的 PCB 面积。因此，基于分立器件的电源管理方案面临较大挑战，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。
2. 灵活性：传统的 PMIC 虽具有高集成、小尺寸的优势，但不够灵活，通常更适合特定产品的电源架构要求，当应用场景和设计规格发生变化时便不再适用。分立式电源系统则可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。为补齐这一短板，如今许多的 PMIC 产品已具备 “可编程” 特性，用户可在相同的硬件架构下对 PMIC 进行实时动态编程，也可在出货前根据客户的规格要求进行定制设置。这意味着同一款高性能 PMIC 在保有高集成优势的同时，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。可编程 PMIC 在系统设计上的优势如下图所示。
   

   

   
   图 2: 可编程 PMIC 显著简化 BOM 并减小方案尺寸 (图源：Qorvo)
3. 可靠性：与其他应用不同，SSD 的电源系统对可靠性有着更为苛刻的要求，以避免数据存储过程中出现完整性和安全性风险。为此，PLP（掉电保护）是不可或缺的功能。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存储器，确保数据在系统重新通电后仍然存在且可访问。为实现 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 电源管理系统应是集这三个要素于一身的差异化解决方案，Qorvo 公司的 ACT85411 电源管理 IC 便是这样的解决方案。

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、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。

ACT85411 更大的亮点在于，它在一个 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。

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方案相比，架构大为简化，更有利于减小 SSD 解决方案的尺寸、缩短设计时间，并优化 BOM 和供应链管理。

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，以满足更多样化的应用需求。除了 ACT85411，ACT85610 也是一款值得推荐的产品。

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，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。