使设备更省电、更耐用的微型硬盘驱动器设计新方法

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本文讨论的磁盘驱动器设计新方法涉及电压调节、驱动器分区、接口、电源管理、半导体工艺技术以及磁盘保护等多个方面。这些方法不仅可降低使用这些驱动器的便携式消费电子产品的功耗，还能提高这些设备的耐用性。

图1：典型的锂离子 电池的工作曲线。

具有大容量存储功能的便携式消费电子产品日益流行，如手机、视频/音频播放器和数码相机等，这要求磁盘驱动器产业推出独特的解决方案，以满足快速发展的应用需求。成本更低、容量更高、电池使用寿命更长以及耐用性更好是磁盘驱动器设计工程师必须在1英寸甚至更小外形尺寸内实现的一部分特性。由于微型磁盘存储方案能以更灵活的设计满足这些新的市场需求，所以磁盘驱动器制造商转而求助于芯片供应商，以获得可进一步实现架构创新的解决方案。

低功耗架构

功耗对手持消费电子设备特别重要。制造商希望新的小尺寸(SFF)驱动器(1英寸和0.85英寸)能存储更多音乐并实现更快的读写速度，以支持视频回放和其它功能，而这对功耗提出了更高要求。

图2A：MP3播放器的典型 电流消耗。

便携式消费电子设备不断朝更高级、存储容量要求更大的应用发展，而手机理所当然成为此类设备的代表。集成了媒体播放器功能和其它功能的新型手机将其10%的功率预算用于存储需要，基于不同的电池技术，存储功能消耗的平均功率约为110mW。

锂离子电池目前是手持终端应用的最佳电源选择。为达到最长的工作时间，磁盘驱动器的工作电压已降至最低2.7V，接近锂离子电池工作曲线的转折点(见图1)。

图2是传输音频流文件时硬盘驱动器(HDD)的典型电流占空比情况。一般说来，如果没有数据在传输，那么主机会使驱动器工作在低功耗状态或断电模式。如果需要传输数据，则驱动器转动并以快速的 HDD传输速率将大量数据传输到主机缓存，然后再返回低功耗状态，主机则将以较低的应用速率从缓存取出数据。这样可使驱动器具有很低的电流占空比，从而获得较低的平均功耗，延长电池使用寿命。不过，即便驱动器正在传输数据，它也会利用电源管理技术尽可能减少功耗。例如，在读取磁盘扇区时，驱动器的功耗最大，但如果主机处于忙状态，那么驱动器将进入较低的功耗模式。

图2B：MP3播放器的典型电 流消耗。

缓存是被用来与主机速度进行匹配的器件。主机缓存的大小将决定功耗的大小，缓存越大意味着功耗越小(加快启动/停止驱动器的周期)，从而降低平均功耗。在缓存大小、功耗和成本之间进行折衷，有助于主机制造商选择既能满足应用的功耗要求，同时又可降低成本的缓存。典型的音乐播放器的缓存大小在8至16MB之间，相应的价格压力推动HDD制造商进一步降低功耗。

如图3所示，磁盘驱动器的电子器件主要包括前置放大器(PA)IC、马达控制器(MC)IC以及集成的SoC，其中SoC由读取通道和硬盘控制器技术，以及必需的I/O和存储器组成。对微型驱动器的功率预算作进一步分析(见图4)可发现，存储器件的功耗约占全部功耗的一半，其余功耗则是由机械和电机组件产生的(主要用于驱动器的启动和停止)。SoC消耗了大部分功率，其主要功能是管理并传输驱动器磁片上的数据。需要注意的是，上述功率预算分析考虑了瞬时功率的影响，在典型的主机应用中对功耗进行平均，结果将比这要低。

由于存储IC消耗大约50%的磁盘驱动器总功率，所以芯片供应商在改善系统级功率特性上具有很多重要机会，具体包括电压调节方面的创新、驱动器分区、接口、电源管理方案以及半导体工艺技术等。

图3：磁盘驱动器的电子器件。

1、电压调节

典型的HDD需要两种电压电源：逻辑器件使用的数字核心电压，以及马达驱动器、模数转换器(ADC)和接口使用的模拟电压。模拟电压过去只取自主机，并被调节为最大值。传统上，核心电压的产生则是利用马达控制器IC内的线性调节器把来自主机的电压调节为1.2V标称值(见图5)。如今的驱动器使用3.3V本地电源，并利用线性调节器将这个电源转换为存储IC所需的1.2V/200mA电源。在图6所示的方框图中，线性调节器需吸收200mA电流，而转换效率仅为36%。

用开关调节器替代马达控制器内的线性调节器来产生核心电压，是实现SFF驱动器节能的一个重大改进。尽管这些器件仍是将电压从3.3V转换为1.2V，但它们仅吸收约为90mA的电流，转换效率则高达80%。而通常由开关调节器产生的噪声可利用具有成本效益的方法得到很好解决，以保持信号的完整性。用开关调节器(300mW)替代线性调节器(660mW)，总共可节省55％的功耗。此外，采用开关调节器还使数字核心电压从1.2V降到1.0V，从而进一步降低功耗。

图4A：磁盘驱动器的功 率预算示例。

电压调节的另一个目标是降低模拟电压。来自主机的电压通常被控制为最大3.3V，不过通过将工作额定电压降到2.5V，也可能减少功率消耗，但这需要采用较低的主机电压或HDD板上调节来实现这一目标。如果采用HDD板上调节，由于调节器(即便是开关调节器)的效率损失，功耗降低将非常有限，这种方法只有在主机电源电压较低的系统中才可行。

2、主机/驱动器的分区

另一种节省功耗的方法是对驱动器/主机进行有效分区，从而将功能从主机移到驱动器，或者从驱动器移到主机。随着在媒体播放器和手机等便携式设备中添加更多的多媒体功能，通过重新分区实现功能集成可降低总体功耗，同时还可增加手持设备中宝贵的可用空间。尽管当前许多设备都具有独立的可移动驱动器，但采用嵌入式磁盘驱动器设计将对减少功耗、缩小尺寸以及降低成本非常有用。

图7给出了这种集成策略的两个极端例子。例1将额外的IP移到驱动器上，如无线功能(Wi-Fi/UWB)或视频/音频编解码器等。功能完备的驱动器可方便地与简单的显示器和键盘相结合，以便进行手机或

图4B：磁盘驱动器的功 率预算示例。

MP3播放器开发。例2将功能从驱动器上移开，这样设计工程师便可将磁头磁盘组件(HDA)、一系列基本的电子器件与其它高级应用一起，集成到设备主板上。

尽管这两种情况都各有优缺点，但功能集成可消除冗余处理和电路开销，并减小互连数量，从而降低便携式设备的功耗。

3、接口技术

消费电子-高级技术附件(CE-ATA)和多媒体卡(MMC)等新型接口标准正处于开发阶段。这些接口标准可减小器件尺寸并使用相同的物理接口，尽管它们采用不同协议，但都是通过降低接口电压来减少总体功耗。目前CF接口的信号传输与驱动器均采用3.3V电压，而CE-ATA/MMC接口技术则采用1.8V信令并将模拟电源分离，以进一步降低驱动器功耗。

4、电源管理

图5：使用线性调节器的 传统电压调节方法。

电源管理能让主机有效地管理磁盘驱动器的功耗。存储SoC通常具有一个多态序列发生器，该发生器可使SoC通过固件控制实现自动电源管理功能。这些功能不仅可根据驱动器设置调节功耗水平，还能有选择性地使电路无效、启用/禁用所有功能块的时钟，并为时钟禁用有问题的功能块提供分隔。除此之外，电源管理技术还包括选择正确的系统时钟频率以优化驱动器，这一般通过选择适当的处理器时钟速率来实现。所有这些功能都有助于实现整体功率效率最大化。

5、半导体工艺

工艺技术的选择必须基于预期的驱动器运行传输速率。为实现低功耗的优化设计，芯片设计工程师专门选择泄漏低、阈值高的工艺，以减小待机模式下的漏电流，同时还满足所需的系统性能。用于手持应用的SFF驱动器的传输速率较低，因此可通过使用速率较低的器件来实现低功耗。

图6：电压调节方框图。

此外，还可通过缩小工艺尺寸来减少运行功耗。工艺尺寸与功耗之间基本呈线性关系，但到65nm工艺时，工艺缩小对降低功耗的作用开始减少，此时漏电流成为功耗的主要原因。

可提高耐用性的架构

随着高容量存储产品在便携式消费电子产品中日益流行，磁盘驱动器的主动保护变得至关重要。要提高这些设备的耐用性，就要求能可靠地检测到“自由落体”运动，并确保驱动器磁头在撞击前停留在启停区。但这并非易事，因为从一米高度自由落体到地面的时间还不到半秒。

从半导体层面上看，SFF驱动器要求马达控制器芯片、存储SoC(或读取通道)、前置放大器以及用于检测自由落体运动的传感器能够协同工作(见图8)。微型驱动器目前使用冲击传感器或者加速计，并采用相关算法。

当设备发生坠落时，马达控制器

图7：主机和驱动器 的分区示意图。

IC不仅接收来自传感器的输入信号，而且在使用冲击传感器的驱动器里，还对该模拟信号进行放大并将其转成数字信号。然后，马达控制器将此信号与参考信号进行对比，以确定它是否为“非正常”信号。由于消费者无法容忍多次误报(导致不必要的关闭)或者漏报(导致无法在设备坠落前进行保护)，所以必须对信号进行仔细调节，以确保窗口比较器的读数正确无误。如果信号超出参考范围，那么马达控制器就向SoC 发出驱动器正在发生自由落体运动的警告信息。

SoC首先会检查驱动器的状态，看其是处于寻道操作状还是闲置状态。台式 PC的磁盘驱动器在不进行读写时，其磁头总是位于旋转磁片的磁轨上，对微型驱动器而言，节约电池用电比提高数据传输速率更重要，因此微型驱动器在闲置状态下会关闭主轴马达并使磁头臂组件(HSA)回位。如果驱动器正处于写模式，则SoC将关闭前置放大器IC的写入电流，与此同时马达控制器关闭主轴马达并使HAS回位。

图8：驱动器发生自由落 体运动时的处理流程方框图。

如何处理掉电对提高SFF驱动器的可靠性也同样重要，因为突然掉电(如断开电池连接)也很容易造成磁盘被刮。对掉电的处理过程与对自由落体运动的处理过程类似：马达控制器感应到掉电并将HAS回位，SoC对电源故障进行确认，并以控制模式关闭驱动器其它电子器件的电源。尽管该过程对所有驱动器类型都是相似的，但较大的驱动器(2.5英寸与3.5英寸)可利用主轴马达的反电动势为磁头回位提供所需能量。不过，SFF驱动器中的小磁片没有足够的旋转质量来产生所需能量，因此必须使用额外的电容器。该电容器在驱动器工作时充电，在掉电时放电，以帮助完成磁头回位。

本文小结

新型SFF驱动器的设计将越来越依赖于可有效进行通信以加快反应速度的芯片和固件。元件集成则是提高可靠性的另一重要途径。由于消费类设备的便携性本身会增加发生机械或电气故障的机会，而额外的电容或电阻将导致驱动器发生故障的可能性呈指数级上升，所以新的驱动器设计可利用集成了分立元件的马达控制器来提高可靠性，并降低总体成本。

作者：Duncan Furness

存储部门高级技术经理

杰尔系统

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