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MP5515による突然の電源障害への対策

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はじめに

電源障害は、混乱というドミノ効果を引き起こす傾向があり、その結果、システム障害やデータ損失、サーバーや機器への損害などが発生します。本稿では、MP5515を使用して、突然の電源障害からソリッドステートドライブ (SSD) を保護する方法について説明します。

 

SSDで電源障害が発生した場合の主な問題は次の3つです:

  • ユーザーが書き込んだデータの消失
  • フラッシュメモリ変換レイヤーマッピング情報の損失
  • 物理的損傷のリスクが増大 (読み取りまたは書き込み処理中にSSDが強い振動を受けたり、突然の電源障害が起きたりして、SSDのヘッドがメディアに傷を付ける可能性がある)。

MP5515によるエネルギー蓄積と放出管理

MP5515は入力電力調整用PMICであり、エンタープライズSSD、不揮発性デュアルインラインメモリモジュール (NVIDMM)、およびその他のアプリケーション向けに、コンパクトで効率的なバックアップエネルギー管理ソリューションを提供します。このICは、スーパーキャパシタよりも信頼性の高いタンタルコンデンサを搭載しています。さらに、MP5515は、回路の健全性を検出してデータセキュリティを提供することができます。

高電圧エネルギー蓄積方式に基づき、MP5515は、昇圧、降圧、入力電流制限、入力逆電流ブロック保護、および停電監視機能を搭載しています。1つのインダクタと小さなフィードバック電圧抵抗のみで、システムを起動できます。

 

通常の動作中、MP5515はエネルギーを高電圧コンデンサに蓄えます。電源障害が発生した場合、ICは蓄積コンデンサからバス電圧のラインにエネルギーを移動します。このエネルギー移動により、システムに安定したバックアップ電源が供給されます。

MP5515のその他の主な機能には以下のものがあります。

  • 2.7V〜18Vの広い動作入力電圧 (VIN) 範囲
  • 最大32 Vの設定可能な蓄積電圧
  • 最大6Aの設定可能な入力電流 (IIN) 制限
  • 5A降圧負荷能力
  • 上昇するVB電圧 (VB) に対する調整可能なスルーレート
  • 14mΩMOSFETによる入力電流制限搭載
  • 入力過電圧保護 (OVP)
  • 逆電流保護 (RCP)
  • 入力電源障害インジケータ
  • バックアップコンデンサの健全性テスト
  • 電圧、電流、温度検出搭載

MP5515は、外付け部品の使用を効果的に最小限に抑え、QFN-30 (5mm x 5mm) パッケージで提供されます。また、I2C通信とアナログ-デジタルコンバータ (ADC) も提供します。エネルギー蓄積と放出管理に対するMP5515の戦略的利点について、以下で詳しく説明します。

突発的な停電への対応

データ損失を最小限に抑えるために、MP5515は、高エネルギー密度コンデンサを含むシャットダウン検出回路を用いて設計されています。図1は、MP5515による機能集積ソリューションを示しています。

図1: MP5515を用いた機能集積ソリューション

電子ヒューズモジュールは、SSDの供給電圧を継続的に監視します。この電源が設定されたしきい値まで低下すると、突然の外部電源障害イベントが発生し、電子ヒューズによって電源回路が切断されます。十分な電力保護ウィンドウによって、データをキャッシュからNANDに流し込むのに十分な時間が与えられます。次に、コンデンサは放電経路を形成し、電源が再び投入されると、コンデンサは急速に充電されます。

電子ヒューズと内蔵された双方向昇降圧

システムに十分な電力が供給される場合、分離回路の入力から出力まで、ダイオード、昇降圧が必要になります。5つ (またはそれ以上) のFETおよびダイオードを使用すると、電力消費が増加すると同時に効率が低下します。一般的に、MP5515は入力電流制限用に内蔵された14mΩのMOSFETだけで済みます。

 

異常な電源障害が発生した場合にMP5515の内蔵された双方向昇降圧コンバータは3つのFETをもっているため、ソリューション全体のサイズを最小限に抑えながら電力損失を削減できます。図2は、VBが7.5Vのときの、MP5515のスタンバイ電源モードでの効率曲線を示しています。

図2: MP5515降圧効率曲線(VB = 7.5V)

図3は、VBが10Vで待機電力モードでのMP5515の効率曲線です。

 

図3: MP5515降圧効率曲線(VB = 10V)

小型エネルギー蓄積コンデンサ

エネルギー保存の法則によれば、エネルギー蓄積コンデンサの電圧が増加すると、その容量は大幅に減少します。MP5515は、エネルギー蓄積コンデンサの電圧を36Vまで上げることができます。エネルギー需要が一定であれば、静電容量は2.5mFまで低下し、ESRも低下します。通常の条件下では、エネルギー蓄積コンデンサは、18Vの電圧定格および8.4mFの静電容量を持っています。

高集積チップ

従来のソリューションでは、通常、少なくとも4つのチップを複雑な周辺ハードウェア回路およびソフトウェア技術と組み合わせる必要があります。MP5515は、1つのインダクタを使用した機能集積ソリューションを提供します。図4にMP5515の代表的なアプリケーション回路を示します。

図4: MP5515の代表的なアプリケーション回路と必要な外付け部品

図5は、MP5515に必要な外付け部品の数が最小限であることを示しています。

図5: MP5515 PCBのレイアウト

コンデンサの健全性検出

SSDの使用中、コンデンサは古くなり、エネルギー蓄積容量は、多数の充電および放電プロセスのために経時的に減少します。この問題に対処するため、MP5515にはコンデンサの健全性試験が搭載されており、STRGからRTESTに接続された外部抵抗がエネルギー蓄積コンデンサを放電します。検出結果は、マイクロコントローラのデータレジスタに格納され、 I2C インタフェースを介して読み出すことができます。

 

エンジニアは、エネルギー保存の公式に従ってエネルギー蓄積容量を容易に導き出し、計算して、コンデンサを交換すべきかどうかを決定することができます。図6は、VINITIAL (DATA2)、VFINAL (DATA1)、およびタイムカウンタの計算を示しており、静電容量の推定に使用されます。

図6: MP5515エネルギー蓄積コンデンサ検出回路電源

バックアップモードへの迅速な移行

降圧モードは、最大電流制限機能に対応し、開放電流を制限します。各降圧モードのスイッチングサイクルでは、インダクタ電流がバレー電流限界まで低下するまで、ハイサイドMOSFET (HS-FET) は、オンになりません。コンスタントオンタイム (COT) 制御は、双方向コンバータが蓄積コンデンサからエネルギーを放出するときに使用されます。これにより、ICが充電モードからバックアップモードに移行する間の電圧降下が最小限に抑えられます。

 

図7は、異なるバス負荷 (VB負荷が1Aまたは5Aの場合) で、VINがシャットダウンした時のバックアップ電源開放プロセスを示しています。

図7: MP5515システムシャットダウン

図8は、MP5515のシャットダウン波形を詳しく示したものです。

図8: MP5515シャットダウン遷移波形

図9は、MP5515がさまざまなインダクタンスをサポートする270kHzから1.25MHzの広い周波数範囲に対応していることを示しています。

 

図9 : MP5515の広い周波数範囲

I2C 通信による柔軟なパラメータ設定

MP5515は、MPSのI2CのGUIを介して高度にカスタマイズ可能で、堅牢な機能を実装できます。前述したMP5515の主な機能に加えて、柔軟なパラメータ設定のための機能には次のものがあります:

  • エネルギー蓄積コンデンサの健全性検出
  • 電圧、電流、温度を検出する10ビットADC
  • エネルギー蓄積向上
  • 調整可能な降圧周波数
  • 入力回復制御
  • システムステータスの監視
  • 割り込みマスク制御

図10は、通信キット (EVKT-USBI2C-02) です。

図10: MPS EVKT-USBI2C-02通信インタフェース

図11にMP5515、MP5470、およびMP28167-Aを用いた停電保護回路を示します。

図11: 電源障害保護回路

MP5515に加えて、MPSはMP5505、MP5512、およびその他のシャットダウン保護ソリューションも提供しています。

結論

直列に接続された多くのICの安定した動作を維持するには、突然の電源障害からSSDを保護することが必要不可欠です。MPSは、長期の安定稼働が必要な多くのアプリケーションに合わせてカスタマイズされたエネルギー蓄積ソリューションを発売することによって、この市場を拡大し続けています。これらのアプリケーションには、輸送、ネットワーク通信、FA機器、監視システム、スマート車載モニタリング、データセンターなどがあります。MP5515、MP5470、MP28167-A、MP5505、およびMP5512などのMPSのエネルギー管理ソリューション製品について確認し、ICの電源供給と保護についてMPSがお客様をどのようにサポート可能かお確かめください。