Ионисторы защищают от потери данных в системах RAID

Журнал РАДИОЛОЦМАН, декабрь 2017

Jim Drew, Linear Technology

Design Note 487

Введение

Системы резервных массивов независимых дисков, или RAID, по своей природе предназначены для сохранения данных в случае неблагоприятных обстоятельств. Одним из примеров может служить сбой питания, угрожающий данным, которые временно хранятся в энергозависимой памяти. Для защиты этих данных во многих системах устанавливают резервные батареи, способные непродолжительное время обеспечивать количество ватт в секунду, достаточное для того, чтобы записать важную информацию в энергонезависимую память. Однако развитие технологии флеш-памяти, плотность которой стала приближаться к DRAM, а также технологические усовершенствования ионисторов, увеличившие емкость на единицу объема и снизившие значения ESR, сделали возможным в таких системах заменить аккумуляторы более долговечными, качественными и «зелеными» ионисторами. На Рисунке 1 изображена схема резервного питания с накопителем энергии на ионисторах, использующая микросхему управления зарядкой ионисторов LTC3625 и коммутатор питания на основе контроллера LTC4412, а также микромодуль двухканального DC/DC преобразователя LTM4616.

Рисунок 1.	Система накопления энергии на основе ионистора для резервирования данных.

LTC3625 – это высокоэффективное устройство зарядки ионисторов, идеальное для резервных RAID приложений. Микросхема выпускается в 12-выводном корпусе DFN с размерами 3 мм × 4 мм × 0.75 мм и требует небольшого количества внешних компонентов. Средний зарядный ток, отдаваемый микросхемой, программируется до максимальной величины 1 А, а напряжения двух последовательно включенных ионисторов автоматически балансируются. В состоянии пониженного расхода энергии ток, потребляемый микросхемой, составляет менее 1 мкА.

Приложения резервного питания

Эффективная система резервного питания содержит батарею ионисторов, имеющую емкость, достаточную для поддержки полной передачи всех важных данных. DC/DC преобразователь забирает энергию батареи ионисторов и обеспечивает постоянным стабилизированным напряжением электронику резервирования. Передача данных должна завершиться прежде, чем напряжение на батарее ионисторов упадет до минимального рабочего напряжения (V_UV) DC/DC преобразователя.

Для оценки величины минимальной емкости батареи ионисторов необходимо определить эффективное сопротивление схемы R_T. R_T является суммой эквивалентных последовательных сопротивлений ионисторов (ESR), потерь распределения (R_DIST) и сопротивлений открытых каналов MOSFET (R_DS(ON)) в цепях коммутации питания:

Допуская потерю 10% входной мощности P_IN на сопротивлении R_T, R_T(MAX) можно определить как

Напряжение V_C(UV) на батарее ионисторов при заданной величине V_UV должно быть равно

Теперь можно оценить требования к минимальной емкости C_MIN, основываясь на необходимом времени резервирования t_BU, в течение которого данные переписываются в флеш-память, начальном напряжении на батарее ионисторов (V_C(O)) и минимальном рабочем напряжении на ионисторах (V_C(UV)):

C_MIN равна половине емкости одного ионистора. Используемая в выражении для расчета R_T величина ESR вдвое больше его номинального значения, что учитывает изменение его характеристик к концу срока службы. Концом срока службы ионистора считается состояние, когда его емкость падает до 70% от начального значения, или удваивается величина ESR.

В техническом описании LTC3625 на странице 6 приведен профиль заряда для двух конфигураций схемы, заряжающей батарею из двух ионисторов емкостью по 10 Ф до напряжения 5.3 В при R_PROG = 143 кОм. Для того чтобы определить значение R_PROG, при котором будет обеспечено требуемое время зарядки реальных ионисторов целевого приложения, этот график используется совместно со следующим выражением:

где

V_C(UV) – минимальное напряжение на ионисторе, при котором DC/DC преобразователь еще способен поддерживать на выходе требуемое напряжение;
V_OUT – выходное напряжение микросхемы LTC3625, необходимое для целевого приложения (устанавливается на выводе V_SEL);
C_ACT – реальная емкость батареи ионисторов;
t_RECH – время перезарядки, необходимое для целевого приложения;
t_EST – время, требуемое для зарядки батареи от V_C(UV) до 5.3 В, экстраполированное из графиков профиля заряда.

Пример проектирования

Пусть для перезаписи данных в флеш-память требуется 45 секунд, входная мощность DC/DC преобразователя равна 20 Вт, а напряжение V_UV для DC/DC преобразователя равно 2.7 В. Необходимое время t_RECH равно десяти минутам. Напряжение полностью заряженной батареи установлено равным 4.8 В – хороший компромисс между необходимостью увеличения срока службы ионисторов и максимально возможного использования их емкости. Расчетные значения слагаемых сопротивления R_T равны: R_DIST = 10 мОм, ESR = 20 мОм и R_DS(ON) = 10 мОм.

Вычисленные результирующие величины сопротивлений R_T(MAX) = 36 мОм и R_T = 40 мОм достаточно близки для этого этапа конструирования. Расчетное значение V_C(UV) равно 3 В. Емкость C_MIN равна 128 Ф. Ионисторы 360 Ф к концу срока службы будут иметь емкость 126 Ф и ESR, равное 6.4 мОм. Переключатель питания состоит из микросхемы LTC4412 и двух P-канальных MOSFET. Сопротивление открытого канала R_DS(ON) при напряжении затвора 2.5 В не превышает 10.75 мОм. Равное 26.15 мОм сопротивление R_T с хорошим запасом согласуется с требуемой величиной R_T(MAX). Расчетное сопротивление R_PROG составляет 79.3 кОм. Ближайшее значение из стандартного ряда однопроцентных сопротивлений равно 78.7 кОм. Указанная в справочных материалах индуктивность дросселей равна 3.3 мкГн как для понижающего, так и для повышающего канала.

LTC3625 содержит компаратор для контроля входного напряжения. Делитель напряжения, подключенный к входу этого компаратора (вывод PFI), устанавливает минимальный порог допустимого напряжения питания равным 4.75 В.

Рисунок 2.	Время резервного копирования при поддержке нагрузки 20 Вт.

На Рисунке 2 показано реальное время резервирования для системы с нагрузкой, потребляющей 20 Вт. Необходимое время резервирования равно 45 с, в то время как эта система обеспечивает 76.6 с. Разница обусловлена тем, что сопротивление R_T оказалось ниже расчетного, как и реальное значение V_UV – 2.44 В. Из Рисунка 3 видно, что реальное время перезарядки равно 685 с, а не 600 с, которые использовались в расчетах. Выигрыш обусловлен более низким напряжением V_UV.

Рисунок 3.	Время восстановления заряда после резервирования.

Заключение

Для выполнения предписаний «зеленых» инициатив аккумуляторы в центрах обработки данных повсеместно заменяются ионисторами. Чтобы создать систему резервного питания для приложений хранения данных, можно объединить эффективный 1-амперный контроллер зарядки ионисторов LTC3625 с автоматической балансировкой элементов и коммутатор питания LTC4412.

Материалы по теме