CN108233524A - 一种用于固态存储介质的掉电保护系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于固态存储介质的掉电保护系统，包括第一PMOS负载开关、第二PMOS负载开关、转换速率控制电路、备份电源电容器及与备份电源电容器连接的充电设备，其中，第一PMOS负载开关的源极、漏极分别外接输入电压源和输出负载，其栅极与转换速率控制电路连接。第二PMOS负载开关的漏极外接输出负载，第二PMOS负载开关的栅极与转换速率控制电路连接，第二PMOS负载开关的源极连接在备份电源电容器与充电设备之间的线路上。本发明在固态存储介质掉电时能提供数秒钟的电量，使得所有的数据能写入非易失性存储器中，以实现大存储量固态存储介质的掉电保护。
Description
技术领域
本发明涉及电子数据存储技术，具体是一种用于固态存储介质的掉电保护系统。
背景技术
目前的电子数据存储系统正在迅猛的从机械式系统(如机械硬盘)向更加电子化的解决方案(如固态硬盘)发展，相较于机械式转动的机械硬盘，固态存储介质尺寸更小，供电要求更低，运行速度更快，因此，其在笔记本电脑、平板电脑等便携式系统中应用更加广泛。当出现掉电情况时，为了避免固态存储介质存储的数据丢失，需在掉电之前将所有的数据写入非易失性存储器中。在常见的小存储量的固态存储介质中，通常采用一个电容存储足够的能量，在掉电时为固态存储介质供电，使得固态存储介质在电压衰减到低于标准运行电压以前，仍然可以运行数毫秒以确保数据被写入。
随着新的应用不断涌现，固态存储介质的存储量从10～40GB逐渐增长到256～512GB，甚至更高，在掉电之前将所有的数据写入非易失性存储器所需的时间需达数秒之长，如何获取数秒钟的电量用来备份数据这成为目前人们普遍关注的问题，然而，现今没有相应的设备，也未见相关的报道。
发明内容
本发明的目的在于解决大存储量的固态存储介质在掉电时不能获取数秒钟的电量用来备份数据的问题，提供了一种用于固态存储介质的掉电保护系统，其在固态存储介质掉电时能提供数秒钟的电量，使得所有的数据能写入非易失性存储器中，以实现大存储量固态存储介质的掉电保护。
本发明解决上述问题主要通过以下技术方案实现：一种用于固态存储介质的掉电保护系统，包括第一PMOS负载开关、第二PMOS负载开关、转换速率控制电路、备份电源电容器及与备份电源电容器连接的充电设备，其中，
所述第一PMOS负载开关的源极、漏极分别外接输入电压源和输出负载，其栅极与转换速率控制电路连接，流向输出负载的浪涌电流从第一PMOS负载开关的源极流向漏极，并在栅极处受到第一PMOS负载开关控制电压的控制；
所述第二PMOS负载开关的漏极外接输出负载，第二PMOS负载开关的栅极与转换速率控制电路连接，第二PMOS负载开关的源极连接在备份电源电容器与充电设备之间的线路上；
所述转换速率控制电路用于向第一PMOS负载开关和第二PMOS负载开关提供负载开关控制电压；用于产生控制信号通过第一PMOS负载开关补充浪涌电流，同时通过第二PMOS负载开关提供低电流充电；用于监测到输入电压掉电时产生控制信号，通过第二PMOS负载开关提供从备份电源电容器到输出负载的放电路径；
充电设备，用于将备份电源电容器充电至大于输入电压值的电压。
本发明提供多条电流通路，具体电流通路的选择通过第一PMOS负载开关和第二PMOS负载开关进行选择，并由转换速率控制电路进行集中控制。本发明通过电流通路的选择，以保证输入电压源与输出负载电源的流通，以及备份电源电容器的充电，在出现掉电情况时，备份电源电容器作为电源为输出负载供电。
本发明应用时，在备份电源电容器未进行任何充电的时候，第二PMOS负载开关被设置为具有非常长的速率转换时间，当检测到掉电时，第二PMOS负载开关的切换被调整到足够快以确保不产生任何功能丢失。
进一步的，所述第一PMOS负载开关的导通电阻大于第二PMOS负载开关的导通电阻。
进一步的，所述第一PMOS负载开关的导通电阻小于50mΩ，第二PMOS负载开关的导通电阻小于25mΩ。如此，本发明应用时，第一PMOS负载开关的面积可以被设计成第二PMOS负载开关面积的一半。
进一步的，所述转换速率控制电路设有欠压锁定电路，转换速率控制电路通过欠压锁定电路来监控输入电压值。本发明在出现掉电情形时，欠压锁定电路检测掉电情况并断开第一PMOS负载开关，同时，通过第二PMOS负载开关连接备份电源电容器，从而为输出负载提供备份电源，使输出负载在备份电源电容器供电期间有序地关闭其功能。
进一步的，所述转换速率控制电路设有热关断电路，所述热关断电路用于系统高于设定的温度时保护第一PMOS负载开关和第二PMOS负载开关。
进一步的，所述转换速率控制电路设有过流保护电路，所述过流保护电路通过第一PMOS负载开关监控浪涌电流。
进一步的，所述第一PMOS负载开关和第二PMOS负载开关均配置有反向电流阻塞电路。本发明在反向电流阻塞电路的作用下，能保证第一PMOS负载开关和第二PMOS负载开关关闭时没有反向电流流动，能避免反向电流流向供电电源，进而能延长备份电源电容器用于提供备份电源时的电压供给时间。
作为本发明充电设备的第一种实施方式，进一步的，所述充电设备采用电荷泵。
进一步的，一种用于固态存储介质的掉电保护系统，还包括转换速率调节电阻，所述转换速率调节电阻与转换速率控制电路连接，其具有设定的阻值，该阻值用于从外部选择PMOS负载开关的转换速率。
作为本发明充电设备的第二种实施方式，进一步的，所述充电设备为与输入电压源连接的升压转换器。其中，升压转换器较电荷泵适用的电源电容器电容值更大。
本发明在具体实施时，所配备的欠压锁定电路、热关断电路、过流保护电路及反向电流阻塞电路均采用工业界普遍应用的成熟方案实现。
综上所述，本发明具有以下有益效果：本发明使用备份电源电容器作为备份电源，该备份电源电容器可以被充满至电源电压，然后被作为临时备份电源，在固态存储介质掉电时能提供数秒钟的电量，使得所有的数据能写入非易失性存储器中，以实现大存储量固态存储介质的掉电保护。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明一个具体实施例的总框图；
图2为本发明一个具体实施例配备有一个连接到引脚PGM的外部电阻实现转换速率的控制的结构示意图；
图3为本发明一个具体实施例具有过流保护功能的结构示意图；
图4为本发明一个具体实施例充电顺序的时序图；
图5为本发明一个具体实施例中电荷泵的结构示意图；
图6为本发明采用升压转换器作为充电设备的一个具体实施例的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
如图1～图3所示，一种用于固态存储介质的掉电保护系统，包括第一PMOS负载开关、第二PMOS负载开关、转换速率控制电路、备份电源电容器及充电设备，其中，本实施例的充电设备采用电荷泵，其与备份电源电容器连接并为备份电源电容器充电。本实施例的第一PMOS负载开关的源极、漏极分别外接输入电压源和输出负载，其栅极与转换速率控制电路连接，流向输出负载的浪涌电流从第一PMOS负载开关的源极流向漏极，并在栅极处受到第一PMOS负载开关控制电压的控制。本实施例的第二PMOS负载开关的漏极外接输出负载，第二PMOS负载开关的栅极与转换速率控制电路连接，第二PMOS负载开关的源极连接在备份电源电容器与充电设备之间的线路上。本实施例的转换速率控制电路用于向第一PMOS负载开关和第二PMOS负载开关提供负载开关控制电压；用于产生控制信号通过第一PMOS负载开关补充浪涌电流，同时通过第二PMOS负载开关提供低电流充电；用于监测到输入电压掉电时产生控制信号，通过第二PMOS负载开关提供从备份电源电容器到输出负载的放电路径。本实施例的备份电源电容器优选使用大电容，也称之为超级电容器，其可以通过电荷泵被充电至比输入电压源输出电压更高的电压，本实施例所采用的电荷泵的结构如图5所示。超级电容器的参数可以设置得非常广泛，从10mF至1000mF，在此情况下，超级电容器的电压范围在3.6V与15V之间。本实施例的转换速率控制电路配备有控制器，以实现本实施例的集中调控。
本实施例的第一PMOS负载开关、第二PMOS负载开关、转换速率控制电路及充电设备全部设置在一个单一集成电路芯片上，该集成电路芯片上设有电源输入引脚VIN、负载连接引脚VSYS、使能信号输入引脚EN、外部输出引脚PCM、以及备用电源输入引脚VBU，本实施例应用时外接的输入电压源连接在电源输入引脚VIN上，外接的输出负载连接在负载连接引脚VSYS上，备份电源电容器连接在备用电源输入引脚VBU。本实施例的主电源路径是集成电路芯片上的电源输入引脚VIN至负载连接引脚VSYS，第二PMOS负载开关连接在VSYS输出引脚至VBU备用电源输入引脚之间，本实施例的负载连接引脚VSYS与备用电源输入引脚VBU之间的第二条电源路径与备份电源电容器---超级电容相连。
本实施例在具体设置时，第一PMOS负载开关的导通电阻大于第二PMOS负载开关的导通电阻，其中，第一PMOS负载开关的导通电阻小于50mΩ，第二PMOS负载开关的导通电阻小于25mΩ。第一PMOS负载开关连接在电源输入引脚VIN和负载连接引脚VSYS之间，通过使能信号输入引脚EN的运行来进行控制。第一PMOS负载开关为较大尺寸的功率MOSFET，其导通电阻小于50mΩ，第二PMOS负载开关的上升时间由连接到外部输出引脚PGM的速率转换电路控制。其中，本实施例的速率转换电路与控制器连接，其采用工业界普遍应用的成熟方案实现。为了避免所有的系统电源给备份电源电容器充电，第二PMOS负载开关的转换速率必须要很长，本实施例在具体设置时，第二PMOS负载开关的转换速率设置为大于2秒。
MOSFET的尺寸差异对电源路径的运行有两大重要影响。
首先，由于VSYS引脚与VBU引脚之间的开关的导通电阻非常低，当超级电容器补充系统电源时，开关上只有非常少量的压降，因此，系统可以具有更长的运行时间才到其部分电路失去功能时的临界电压。
其次，如图4所示，在初始启动的时候，主电源路径上的开关以及备份电源路径上的开关(T1时刻)均被开启，VSYS引脚上的负载通电，同时备份电源开始充电，因为两个开关的开启时间不同，而且第二PMOS负载开关的开启时间更长，更多的电流将会流向VSYS引脚，这样，系统的开启将会比备份电源存储器件充电更快。一旦系统被完全开启(T2时刻)，备份电源存储器件将会继续充电直到其电压与VSYS引脚上的电压相同(T3时刻)，此时，第二PMOS负载开关将会断开，从而断开VSYS引脚与VBU引脚之间的连接。为了在断电时超级电容器具有更长的时间继续给系统供电，还需使用集成的电荷泵电路对超级电容器进行进一步充电。一旦VBU引脚上的电压被充电至与VSYS引脚上相同时，第二电源路径上的PMOS开关断开VSYS引脚与VBU引脚之间的连接，电荷泵被激活以对超级电容的继续充电(T4时刻)。当VBU引脚上的电压达到所需电压，比较器将会切换并提供一个就绪信号(RDY)通知系统控制器超级电容器已经充电完成。RDY信号也用于停止电荷泵对超级电容器的任何进一步充电，RDY比较器将一直监控VBU引脚上的电压，一旦超级电容器上的电压衰减到低于RDY比较器的设定值，电荷泵又将投入使用，向超级电容器充入电荷代替损失掉的电荷，直到超级电容器的电压重新至完全充满状态。
实施例2：
为了进一步控制电源路径切换系统的运行，本实施例在实施例1的基础上做出了如下进一步限定：本实施例的转换速率控制电路设有欠压锁定电路，转换速率控制电路通过欠压锁定电路来监控输入电压值。该模块用于监控输入引脚VIN上的输入电压。VIN引脚的输入电压低于设定的最低输入电压时，UVLO将会向控制电路发送信号通知掉电情况，从而为VSYS输出引脚制定备份电源顺序。并且，一旦这种掉电状况被监测到，主电源路径上的MOSFET将会关闭，断开VIN引脚与VSYS引脚之间的连接，同时，第二电源路径上的MOSFET被打开，将VSYS引脚与VBU引脚相连，从而连接备份电源。
实施例3：
为了进一步防止主要电源路径开关被损坏，本实施例在实施例1或实施例2的基础上做出了如下进一步限定：本实施例的转换速率控制电路设有热关断电路，其中，热关断电路用于系统高于设定的温度时保护第一PMOS负载开关和第二PMOS负载开关。热关断电路用于使第一负载开关在核心温度高于150℃时断开VIN输入引脚与VSYS引脚和VBU引脚之间的连接，这样通过将VSYS引脚或VBU引脚的输出短接到地保护负载开关，避免负载开关超负荷运行。热关断电路是建立在温度迟滞的特性上的，因此当输出短路被取消后，当核心温度回到低于125℃的时候，负载开关能够再次启动。
实施例4：
本实施例在实施例1～实施例3中任意一个实施例的基础上做出了如下进一步限定：本实施例的转换速率控制电路设有过流保护电路，其中，过流保护电路通过第一PMOS负载开关监控浪涌电流。本实施例中，过流保护电路用于通过主电源路径上的负载开关监测危险的电流值，并将电流控制回一个预先设定的安全运行电流。该技术使得系统能够持续运行直到控制器认为发生了系统错误，例如，系统电压不足。这种情况下，控制器可以继续确保系统有序关闭。
实施例5：
本实施例在实施例1～实施例4中任意一个实施例的基础上做出了如下进一步限定：本实施例的第一PMOS负载开关和第二PMOS负载开关均配置有反向电流阻塞电路。
实施例6：
本实施例在实施例1～实施例5中任意一个实施例的基础上做出了如下进一步限定：本实施例还包括转换速率调节电阻，其中，转换速率调节电阻与转换速率控制电路连接，其具有设定的阻值，该阻值用于从外部选择PMOS负载开关的转换速率。因为不同的系统以及不同的超级电容器具有极其不同的负载特性，而本实施例中的根据不同种类的超级电容器从外部调整MOSFET的上升时间的功能，给用户基于不同情况的控制提供了最大的灵活性。连接在电源输入引脚VIN和负载连接引脚VSYS之间的第一PMOS负载开关的转换速率由转换速率控制电路内部设定为特定值，而连接在负载连接引脚VSYS和备用电源输入引脚VBU之间的第二PMOS负载开关的转换速率的控制是可控的。
实施例7：
本实施例与实施例1～实施例5中任意一个实施例的区别在于：本实施例的充电设备为与输入电压源连接的升压转换器。对于某些系统，超级电容器需要的电容值比电荷泵类型的电路能够提供的充电电压大很多，在这类应用中，可采用升压转换器替代电荷泵。为了启动升压装置，在图6的结构中还需要一个额外的输入引脚，使升压电感L1连接到VIN引脚。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于固态存储介质的掉电保护系统，其特征在于，包括第一PMOS负载开关、第二PMOS负载开关、转换速率控制电路、备份电源电容器及与备份电源电容器连接的充电设备，其中，
所述第一PMOS负载开关的源极、漏极分别外接输入电压源和输出负载，其栅极与转换速率控制电路连接，流向输出负载的浪涌电流从第一PMOS负载开关的源极流向漏极，并在栅极处受到第一PMOS负载开关控制电压的控制；
所述第二PMOS负载开关的漏极外接输出负载，第二PMOS负载开关的栅极与转换速率控制电路连接，第二PMOS负载开关的源极连接在备份电源电容器与充电设备之间的线路上；
所述转换速率控制电路用于向第一PMOS负载开关和第二PMOS负载开关提供负载开关控制电压；用于产生控制信号通过第一PMOS负载开关补充浪涌电流，同时通过第二PMOS负载开关提供低电流充电；用于监测到输入电压掉电时产生控制信号，通过第二PMOS负载开关提供从备份电源电容器到输出负载的放电路径；
充电设备，用于将备份电源电容器充电至大于输入电压值的电压。
2.根据权利要求1所述的一种用于固态存储介质的掉电保护系统，其特征在于，所述第一PMOS负载开关的导通电阻大于第二PMOS负载开关的导通电阻。
3.根据权利要求2所述的一种用于固态存储介质的掉电保护系统，其特征在于，所述第一PMOS负载开关的导通电阻小于50mΩ，第二PMOS负载开关的导通电阻小于25mΩ。
4.根据权利要求1所述的一种用于固态存储介质的掉电保护系统，其特征在于，所述转换速率控制电路设有欠压锁定电路，转换速率控制电路通过欠压锁定电路来监控输入电压值。
5.根据权利要求1所述的一种用于固态存储介质的掉电保护系统，其特征在于，所述转换速率控制电路设有热关断电路，所述热关断电路用于系统高于设定的温度时保护第一PMOS负载开关和第二PMOS负载开关。
6.根据权利要求1所述的一种用于固态存储介质的掉电保护系统，其特征在于，所述转换速率控制电路设有过流保护电路，所述过流保护电路通过第一PMOS负载开关监控浪涌电流。
7.根据权利要求1所述的一种用于固态存储介质的掉电保护系统，其特征在于，所述第一PMOS负载开关和第二PMOS负载开关均配置有反向电流阻塞电路。
8.根据权利要求1～7中任意一项所述的一种用于固态存储介质的掉电保护系统，其特征在于，所述充电设备采用电荷泵。
9.根据权利要求8所述的一种用于固态存储介质的掉电保护系统，其特征在于，还包括转换速率调节电阻，所述转换速率调节电阻与转换速率控制电路连接，其具有设定的阻值，该阻值用于从外部选择PMOS负载开关的转换速率。
10.根据权利要求1～7中任意一项所述的一种用于固态存储介质的掉电保护系统，其特征在于，所述充电设备为与输入电压源连接的升压转换器。
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