使設備更省電、更耐用的微型硬盤(pán)驅動(dòng)器設計新方法

本文討論的磁盤(pán)驅動(dòng)器設計新方法涉及電壓調節、驅動(dòng)器分區、接口、電源管理、半導體工藝技術(shù)以及磁盤(pán)保護等多個(gè)方面。這些方法不僅可降低使用這些驅動(dòng)器的便攜式消費電子產(chǎn)品的功耗，還能提高這些設備的耐用性。

圖1：典型的鋰離子 電池的工作曲線(xiàn)。

具有大容量存儲功能的便攜式消費電子產(chǎn)品日益流行，如手機、視頻/音頻播放器和數碼相機等，這要求磁盤(pán)驅動(dòng)器產(chǎn)業(yè)推出獨特的解決方案，以滿(mǎn)足快速發(fā)展的應用需求。成本更低、容量更高、電池使用壽命更長(cháng)以及耐用性更好是磁盤(pán)驅動(dòng)器設計工程師必須在1英寸甚至更小外形尺寸內實(shí)現的一部分特性。由于微型磁盤(pán)存儲方案能以更靈活的設計滿(mǎn)足這些新的市場(chǎng)需求，所以磁盤(pán)驅動(dòng)器制造商轉而求助于芯片供應商，以獲得可進(jìn)一步實(shí)現架構創(chuàng )新的解決方案。

低功耗架構

功耗對手持消費電子設備特別重要。制造商希望新的小尺寸(SFF)驅動(dòng)器(1英寸和0.85英寸)能存儲更多音樂(lè )并實(shí)現更快的讀寫(xiě)速度，以支持視頻回放和其它功能，而這對功耗提出了更高要求。

圖2A：MP3播放器的典型 電流消耗。

便攜式消費電子設備不斷朝更高級、存儲容量要求更大的應用發(fā)展，而手機理所當然成為此類(lèi)設備的代表。集成了媒體播放器功能和其它功能的新型手機將其10%的功率預算用于存儲需要，基于不同的電池技術(shù)，存儲功能消耗的平均功率約為110mW。

鋰離子電池目前是手持終端應用的最佳電源選擇。為達到最長(cháng)的工作時(shí)間，磁盤(pán)驅動(dòng)器的工作電壓已降至最低2.7V，接近鋰離子電池工作曲線(xiàn)的轉折點(diǎn)(見(jiàn)圖1)。

圖2是傳輸音頻流文件時(shí)硬盤(pán)驅動(dòng)器(HDD)的典型電流占空比情況。一般說(shuō)來(lái)，如果沒(méi)有數據在傳輸，那么主機會(huì )使驅動(dòng)器工作在低功耗狀態(tài)或斷電模式。如果需要傳輸數據，則驅動(dòng)器轉動(dòng)并以快速的 HDD傳輸速率將大量數據傳輸到主機緩存，然后再返回低功耗狀態(tài)，主機則將以較低的應用速率從緩存取出數據。這樣可使驅動(dòng)器具有很低的電流占空比，從而獲得較低的平均功耗，延長(cháng)電池使用壽命。不過(guò)，即便驅動(dòng)器正在傳輸數據，它也會(huì )利用電源管理技術(shù)盡可能減少功耗。例如，在讀取磁盤(pán)扇區時(shí)，驅動(dòng)器的功耗最大，但如果主機處于忙狀態(tài)，那么驅動(dòng)器將進(jìn)入較低的功耗模式。

圖2B：MP3播放器的典型電 流消耗。

緩存是被用來(lái)與主機速度進(jìn)行匹配的器件。主機緩存的大小將決定功耗的大小，緩存越大意味著(zhù)功耗越小(加快啟動(dòng)/停止驅動(dòng)器的周期)，從而降低平均功耗。在緩存大小、功耗和成本之間進(jìn)行折衷，有助于主機制造商選擇既能滿(mǎn)足應用的功耗要求，同時(shí)又可降低成本的緩存。典型的音樂(lè )播放器的緩存大小在8至16MB之間，相應的價(jià)格壓力推動(dòng)HDD制造商進(jìn)一步降低功耗。

如圖3所示，磁盤(pán)驅動(dòng)器的電子器件主要包括前置放大器(PA)IC、馬達控制器(MC)IC以及集成的SoC，其中SoC由讀取通道和硬盤(pán)控制器技術(shù)，以及必需的I/O和存儲器組成。對微型驅動(dòng)器的功率預算作進(jìn)一步分析(見(jiàn)圖4)可發(fā)現，存儲器件的功耗約占全部功耗的一半，其余功耗則是由機械和電機組件產(chǎn)生的(主要用于驅動(dòng)器的啟動(dòng)和停止)。SoC消耗了大部分功率，其主要功能是管理并傳輸驅動(dòng)器磁片上的數據。需要注意的是，上述功率預算分析考慮了瞬時(shí)功率的影響，在典型的主機應用中對功耗進(jìn)行平均，結果將比這要低。

由于存儲IC消耗大約50%的磁盤(pán)驅動(dòng)器總功率，所以芯片供應商在改善系統級功率特性上具有很多重要機會(huì )，具體包括電壓調節方面的創(chuàng )新、驅動(dòng)器分區、接口、電源管理方案以及半導體工藝技術(shù)等。

圖3：磁盤(pán)驅動(dòng)器的電子器件。

1、電壓調節

典型的HDD需要兩種電壓電源：邏輯器件使用的數字核心電壓，以及馬達驅動(dòng)器、模數轉換器(ADC)和接口使用的模擬電壓。模擬電壓過(guò)去只取自主機，并被調節為最大值。傳統上，核心電壓的產(chǎn)生則是利用馬達控制器IC內的線(xiàn)性調節器把來(lái)自主機的電壓調節為1.2V標稱(chēng)值(見(jiàn)圖5)。如今的驅動(dòng)器使用3.3V本地電源，并利用線(xiàn)性調節器將這個(gè)電源轉換為存儲IC所需的1.2V/200mA電源。在圖6所示的方框圖中，線(xiàn)性調節器需吸收200mA電流，而轉換效率僅為36%。

用開(kāi)關(guān)調節器替代馬達控制器內的線(xiàn)性調節器來(lái)產(chǎn)生核心電壓，是實(shí)現SFF驅動(dòng)器節能的一個(gè)重大改進(jìn)。盡管這些器件仍是將電壓從3.3V轉換為1.2V，但它們僅吸收約為90mA的電流，轉換效率則高達80%。而通常由開(kāi)關(guān)調節器產(chǎn)生的噪聲可利用具有成本效益的方法得到很好解決，以保持信號的完整性。用開(kāi)關(guān)調節器(300mW)替代線(xiàn)性調節器(660mW)，總共可節省55％的功耗。此外，采用開(kāi)關(guān)調節器還使數字核心電壓從1.2V降到1.0V，從而進(jìn)一步降低功耗。

圖4A：磁盤(pán)驅動(dòng)器的功 率預算示例。

電壓調節的另一個(gè)目標是降低模擬電壓。來(lái)自主機的電壓通常被控制為最大3.3V，不過(guò)通過(guò)將工作額定電壓降到2.5V，也可能減少功率消耗，但這需要采用較低的主機電壓或HDD板上調節來(lái)實(shí)現這一目標。如果采用HDD板上調節，由于調節器(即便是開(kāi)關(guān)調節器)的效率損失，功耗降低將非常有限，這種方法只有在主機電源電壓較低的系統中才可行。

2、主機/驅動(dòng)器的分區

另一種節省功耗的方法是對驅動(dòng)器/主機進(jìn)行有效分區，從而將功能從主機移到驅動(dòng)器，或者從驅動(dòng)器移到主機。隨著(zhù)在媒體播放器和手機等便攜式設備中添加更多的多媒體功能，通過(guò)重新分區實(shí)現功能集成可降低總體功耗，同時(shí)還可增加手持設備中寶貴的可用空間。盡管當前許多設備都具有獨立的可移動(dòng)驅動(dòng)器，但采用嵌入式磁盤(pán)驅動(dòng)器設計將對減少功耗、縮小尺寸以及降低成本非常有用。

圖7給出了這種集成策略的兩個(gè)極端例子。例1將額外的IP移到驅動(dòng)器上，如無(wú)線(xiàn)功能(Wi-Fi/UWB)或視頻/音頻編解碼器等。功能完備的驅動(dòng)器可方便地與簡(jiǎn)單的顯示器和鍵盤(pán)相結合，以便進(jìn)行手機或

圖4B：磁盤(pán)驅動(dòng)器的功 率預算示例。

盡管這兩種情況都各有優(yōu)缺點(diǎn)，但功能集成可消除冗余處理和電路開(kāi)銷(xiāo)，并減小互連數量，從而降低便攜式設備的功耗。

3、接口技術(shù)

消費電子-高級技術(shù)附件(CE-ATA)和多媒體卡(MMC)等新型接口標準正處于開(kāi)發(fā)階段。這些接口標準可減小器件尺寸并使用相同的物理接口，盡管它們采用不同協(xié)議，但都是通過(guò)降低接口電壓來(lái)減少總體功耗。目前CF接口的信號傳輸與驅動(dòng)器均采用3.3V電壓，而CE-ATA/MMC接口技術(shù)則采用1.8V信令并將模擬電源分離，以進(jìn)一步降低驅動(dòng)器功耗。

4、電源管理

圖5：使用線(xiàn)性調節器的 傳統電壓調節方法。

電源管理能讓主機有效地管理磁盤(pán)驅動(dòng)器的功耗。存儲SoC通常具有一個(gè)多態(tài)序列發(fā)生器，該發(fā)生器可使SoC通過(guò)固件控制實(shí)現自動(dòng)電源管理功能。這些功能不僅可根據驅動(dòng)器設置調節功耗水平，還能有選擇性地使電路無(wú)效、啟用/禁用所有功能塊的時(shí)鐘，并為時(shí)鐘禁用有問(wèn)題的功能塊提供分隔。除此之外，電源管理技術(shù)還包括選擇正確的系統時(shí)鐘頻率以?xún)?yōu)化驅動(dòng)器，這一般通過(guò)選擇適當的處理器時(shí)鐘速率來(lái)實(shí)現。所有這些功能都有助于實(shí)現整體功率效率最大化。

5、半導體工藝

工藝技術(shù)的選擇必須基于預期的驅動(dòng)器運行傳輸速率。為實(shí)現低功耗的優(yōu)化設計，芯片設計工程師專(zhuān)門(mén)選擇泄漏低、閾值高的工藝，以減小待機模式下的漏電流，同時(shí)還滿(mǎn)足所需的系統性能。用于手持應用的SFF驅動(dòng)器的傳輸速率較低，因此可通過(guò)使用速率較低的器件來(lái)實(shí)現低功耗。

圖6：電壓調節方框圖。

此外，還可通過(guò)縮小工藝尺寸來(lái)減少運行功耗。工藝尺寸與功耗之間基本呈線(xiàn)性關(guān)系，但到65nm工藝時(shí)，工藝縮小對降低功耗的作用開(kāi)始減少，此時(shí)漏電流成為功耗的主要原因。

可提高耐用性的架構

隨著(zhù)高容量存儲產(chǎn)品在便攜式消費電子產(chǎn)品中日益流行，磁盤(pán)驅動(dòng)器的主動(dòng)保護變得至關(guān)重要。要提高這些設備的耐用性，就要求能可靠地檢測到“自由落體”運動(dòng)，并確保驅動(dòng)器磁頭在撞擊前停留在啟停區。但這并非易事，因為從一米高度自由落體到地面的時(shí)間還不到半秒。

從半導體層面上看，SFF驅動(dòng)器要求馬達控制器芯片、存儲SoC(或讀取通道)、前置放大器以及用于檢測自由落體運動(dòng)的傳感器能夠協(xié)同工作(見(jiàn)圖8)。微型驅動(dòng)器目前使用沖擊傳感器或者加速計，并采用相關(guān)算法。

當設備發(fā)生墜落時(shí)，馬達控制器

圖7：主機和驅動(dòng)器 的分區示意圖。

SoC首先會(huì )檢查驅動(dòng)器的狀態(tài)，看其是處于尋道操作狀還是閑置狀態(tài)。臺式 PC的磁盤(pán)驅動(dòng)器在不進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)，其磁頭總是位于旋轉磁片的磁軌上，對微型驅動(dòng)器而言，節約電池用電比提高數據傳輸速率更重要，因此微型驅動(dòng)器在閑置狀態(tài)下會(huì )關(guān)閉主軸馬達并使磁頭臂組件(HSA)回位。如果驅動(dòng)器正處于寫(xiě)模式，則SoC將關(guān)閉前置放大器IC的寫(xiě)入電流，與此同時(shí)馬達控制器關(guān)閉主軸馬達并使HAS回位。

圖8：驅動(dòng)器發(fā)生自由落 體運動(dòng)時(shí)的處理流程方框圖。

如何處理掉電對提高SFF驅動(dòng)器的可靠性也同樣重要，因為突然掉電(如斷開(kāi)電池連接)也很容易造成磁盤(pán)被刮。對掉電的處理過(guò)程與對自由落體運動(dòng)的處理過(guò)程類(lèi)似：馬達控制器感應到掉電并將HAS回位，SoC對電源故障進(jìn)行確認，并以控制模式關(guān)閉驅動(dòng)器其它電子器件的電源。盡管該過(guò)程對所有驅動(dòng)器類(lèi)型都是相似的，但較大的驅動(dòng)器(2.5英寸與3.5英寸)可利用主軸馬達的反電動(dòng)勢為磁頭回位提供所需能量。不過(guò)，SFF驅動(dòng)器中的小磁片沒(méi)有足夠的旋轉質(zhì)量來(lái)產(chǎn)生所需能量，因此必須使用額外的電容器。該電容器在驅動(dòng)器工作時(shí)充電，在掉電時(shí)放電，以幫助完成磁頭回位。

本文小結

新型SFF驅動(dòng)器的設計將越來(lái)越依賴(lài)于可有效進(jìn)行通信以加快反應速度的芯片和固件。元件集成則是提高可靠性的另一重要途徑。由于消費類(lèi)設備的便攜性本身會(huì )增加發(fā)生機械或電氣故障的機會(huì )，而額外的電容或電阻將導致驅動(dòng)器發(fā)生故障的可能性呈指數級上升，所以新的驅動(dòng)器設計可利用集成了分立元件的馬達控制器來(lái)提高可靠性，并降低總體成本。