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CN115373501A - 固态驱动器的电源故障保护系统 - Google Patents

固态驱动器的电源故障保护系统 Download PDF

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CN115373501A
CN115373501A CN202111669406.5A CN202111669406A CN115373501A CN 115373501 A CN115373501 A CN 115373501A CN 202111669406 A CN202111669406 A CN 202111669406A CN 115373501 A CN115373501 A CN 115373501A
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power converter
converters
power switch
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文伟·王
田昊
陈晓方
乔丹洋
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SK Hynix Inc
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Abstract

本发明提供了一种固态驱动器的电源故障保护系统。在实施例中，该系统包括：多个电源转换器；备用电源转换器；电源开关阵列，包括电源开关对；以及电源控制复杂可编程逻辑装置。电源控制复杂可编程逻辑装置：监控多个电源转换器的电源故障；当检测到某个电源转换器的电源故障时，配置备用电源转换器的电源电平，所配置的电源电平对应于故障电源转换器；并且控制与故障电源转换器相对应的目标电源开关对，使得备用电源转换器生成的操作电压施加到内部组件。

Description

固态驱动器的电源故障保护系统
技术领域
本公开的实施例涉及一种数据存储装置的电源系统。
背景技术
计算机环境范例已经转变为可以随时随地使用的普适计算系统。因此，诸如移动电话、数码相机和笔记本电脑的便携式电子装置的使用迅速增加。这些便携式电子装置通常使用具有存储器装置的存储器系统，即，数据存储装置。数据存储装置用作便携式电子装置的主存储器装置或辅助存储器装置。
诸如固态驱动器(SSD)的数据存储装置可以包括电源系统。
发明内容
本发明的方面包括一种诸如固态驱动器的数据存储装置的电源故障保护系统。
在本发明的一方面，一种固态驱动器的电源故障保护系统包括：多个电源转换器，每个电源转换器向固态驱动器的内部组件提供设定的操作电压；备用电源转换器，被配置为向内部组件提供备用操作电压；电源开关阵列，包括多个电源开关对，每个电源开关对包括联接在多个电源转换器之中的电源转换器与内部组件之间的第一电源开关和联接在备用电源转换器与内部组件之间的第二电源开关；以及电源控制复杂可编程逻辑装置。电源控制复杂可编程逻辑装置被配置为：监控多个电源转换器的电源故障；当检测到多个电源转换器之中的某个电源转换器的电源故障时，配置备用电源转换器的电源电平，所配置的电源电平对应于故障电源转换器；并且控制与故障电源转换器相对应的目标电源开关对，使得备用电源转换器生成的操作电压通过目标电源开关对的第二电源开关施加到内部组件。
在本发明的另一方面，一种固态驱动器包括：内部组件，包括彼此联接的存储器装置、缓冲存储器和存储器控制器；以及电源故障保护系统，被配置为从主机接收电力，生成一个或多个不同的操作电压，并将操作电压中的一个提供到内部组件。电源故障保护系统包括：多个电源转换器，每个电源转换器向内部组件提供设定的操作电压；备用电源转换器，被配置为向内部组件提供备用操作电压；电源开关阵列，包括多个电源开关对，每个电源开关对包括联接在多个电源转换器之中的电源转换器与内部组件之间的第一电源开关和联接在备用电源转换器与内部组件之间的第二电源开关；以及电源控制复杂可编程逻辑装置，被配置为：监控多个电源转换器的电源故障；当检测到多个电源转换器之中的某个电源转换器的电源故障时，配置备用电源转换器的电源电平，所配置的电源电平对应于故障电源转换器；并且控制与故障电源转换器相对应的目标电源开关对，使得备用电源转换器生成的操作电压通过目标电源开关对的第二电源开关施加到内部组件。
通过以下描述，本发明的其它方面将变得显而易见。
附图说明
图1是示出根据本发明的实施例的数据处理系统的示例的框图。
图2是示出根据本发明的实施例的存储装置的电源的示例的示图。
图3A是示出根据本发明的实施例的提供固态驱动器的内部电源的示例的示图。
图3B是示出根据本发明的实施例的提供固态驱动器的内部电源的另一示例的示图。
图4是示出根据本发明的实施例的电源保护系统的示图。
图5是示出根据本发明的实施例的电源保护系统的示例的示图。
图6是示出根据本发明的实施例的电源保护系统的另一示例的示图。
图7是示出根据本发明的实施例的电源保护系统的操作方法的流程图。
图8A和图8B是示出根据本发明的实施例的电源电压转变过程的示例的示图。
图9是示出根据本发明的实施例的电源保护系统的后检查操作的流程图。
具体实施方式
下面参照附图更详细地描述本公开的各个实施例。然而，本发明可以以不同的形式实现，因此不应被解释为限于本文阐述的实施例。相反，提供这些实施例是为了使本公开是彻底和完整的，并且将本发明的范围充分地传达给本领域技术人员。此外，本文中对“实施例”、“另一实施例”等的引用不一定仅针对一个实施例，并且对任何这种短语的不同引用不一定针对相同实施例。在整个公开内容中，相同附图标记指代本发明的附图和实施例中的相同部件。
本发明可以以多种方式来实施，多种方式包括：作为过程；设备；系统；在计算机可读存储介质上实现的计算机程序产品；和/或处理器，例如适于运行联接到处理器的存储器上存储的指令和/或由联接到处理器的存储器提供的指令的处理器。在本说明书中，这些实施方案或本发明可以采用的任何其它形式可以被称为技术。通常，在本发明的范围内可以改变所公开过程的步骤的顺序。除非另有说明，否则被描述为适于执行任务的、诸如处理器或存储器的组件可以被实施为被临时配置为在给定时间执行任务的通用组件或被制造为执行任务的特定组件。如本文所使用的，术语“处理器”等是指适于处理诸如计算机程序指令的数据的一个或多个装置、电路和/或处理内核。
下面提供了本发明的实施例的详细描述以及示出了本发明的方面的附图。结合这些实施例描述了本发明，但是本发明不限于任何实施例。本发明的范围仅由权利要求书限定。本发明涵盖权利要求书的范围内的许多替代方案、修改方案和等同方案。下面的描述中阐述了许多具体细节以提供对本发明的透彻理解。提供这些细节仅出于示例的目的，可以根据权利要求书来实践本发明，而无需这些具体细节中的一些或全部。为了清楚起见，并未详细描述与本发明有关的技术领域中已知的技术材料，以免不必要地模糊本发明。
图1是示出根据本发明的实施例的数据处理系统10的示例的框图。
参照图1，数据处理系统10可以包括主机装置50和存储装置(可以被实施为存储器系统)100。存储装置100可以从主机装置50接收请求并响应于接收到的请求而操作。例如，存储装置100可以存储待由主机装置50访问的数据。
主机装置50可以利用各种类型的电子装置中的任意一种来实施。在各个实施例中，主机装置50可以包括诸如以下的电子装置：台式计算机、工作站、三维(3D)电视、智能电视、数字音频记录器、数字音频播放器、数字图片记录器、数字图片播放器和/或数字视频记录器以及数字视频播放器。在各个实施例中，主机装置50可以包括诸如以下的便携式电子装置：移动电话、智能电话、电子书、MP3播放器、便携式多媒体播放器(PMP)和/或便携式游戏机。
存储装置100可以包括内部组件和电源130。内部组件可以包括存储器控制器110、缓冲存储器115和存储器装置120。在一些实施方案中，缓冲存储器115可以包括在存储器控制器110中。内部组件，例如存储器控制器110，可以通过信号连接器SC与主机装置50交换信号SGL(可以代表多个信号)。信号SGL可以包括命令、地址和数据。根据主机装置50和存储装置100之间的接口方案，信号连接器SC可以被配置为各种类型的连接器中的任意一种。
存储器控制器110可以响应于来自主机装置50的信号SGL而控制存储器装置120的全部操作。例如，存储器控制器110可以控制存储器装置120执行一次或多次擦除操作、编程操作和读取操作。
存储器装置120可以通过一个或多个通道联接到存储器控制器110。存储器装置120可以利用多个非易失性存储器装置来实施。存储器控制器110和存储器装置120可以利用诸如固态驱动器(SSD)和存储卡的各种类型的存储装置中的任意一种来实施。
缓冲存储器115可以被配置为存储在存储装置100中使用的系统数据。例如，缓冲存储器115可以存储映射表，并且可以临时存储在主机装置50和存储装置100之间传输的数据，该映射表是在主机装置50中使用的地址的映射信息。缓冲存储器115可以由易失性存储器单元配置，以实现快速的操作速度。例如，易失性存储器单元可以配置动态随机存取存储器(DRAM)或静态随机存取存储器(SRAM)。在一些实施例中，缓冲存储器115可以利用双倍数据速率(DDR)SDRAM缓冲器来实施。
电源130可以将通过电源连接器PC从主机装置50输入的电力PWR提供到存储装置100中的组件。
图2是示出根据本发明的实施例的存储装置100的电源130的示例的示图。
参照图2，电源130可以包括多个电容器C1至Cn、升压调节器RU和降压调节器RD。尽管在图1中未示出，但如图2所示，存储装置100可以进一步包括联接到电源130的电源开关140和电源控制器150。
电源开关140可以在电源控制器150的控制下提供正常电力传递路径或电力损失保护(PLP)传递路径。在正常电力传递路径中，从主机装置50提供的电力通过电源开关140、电源控制器150和升压调节器RU传递到多个电容器C1至Cn。升压调节器RU可以将来自主机装置50的低输入电压转换为高电压(例如，35V或更高)。高电压可以用于对多个电容器C1至Cn进行充电。电源130可以包括在电压调节器RU、RD与多个电容器C1至Cn之间传递电力(即，高电压)的第一路径(即，V_High_Bus)和通过电源开关140在电压调节器RU、RD与主机装置50之间传递电力(即，低电压)的第二路径(即，V_Low_Bus)。进一步地，电源130可以包括将信号从电源控制器150传递到电压调节器RU、RD的第三路径。
当从主机装置50到存储装置100的电力中断或切断时，多个电容器C1至Cn可以放电，并且多个电容器C1至Cn中存储的能量可以通过包括降压调节器RD、电源开关140、电源控制器150和内部电源调节器的PLP传递路径而传递。存储装置100可以使用多个电容器作为电源，以将数据从存储器控制器110的内部存储器(例如，易失性存储器)备份到存储器装置120(例如，NAND闪存装置)。
这样，多个电容器C1至Cn可以形成电容器阵列，以提供足够的能量来维持将数据从存储器控制器110备份传送到存储器装置120的电源轨电压(power rail voltage)。电容器阵列或大容量电容器可以用作存储装置100的电力损失保护(PLP)电容器。升压调节器RU可以利用通常用于高功率转换效率的包括开关组件(例如，FET)的电压调节器来实施。升压调节器RU可以通过电力路径V_High_Bus连接到PLP电容器。电力路径V_High_Bus和V_Low_Bus可以通过使用一个或多个电源平面或层，在存储装置100(例如，固态驱动器(SSD))的印刷电路板(PCB)中实现。
返回参照图1，与硬盘驱动器(HDD)不同，诸如固态驱动器(SSD)的存储装置100需要保护缓冲存储器115(例如，DDR缓冲器)中的数据免受电源故障的影响。这种保护是至关重要的，因为缓冲存储器115的数据包含存储在存储器装置120(例如，NAND闪速存储器)中的用户数据的地址映射信息。数据的位置通过例如写入均衡的特定机制动态改变，从而使存储器装置120(例如，NAND闪速存储器)的使用均匀以延长存储器装置120(例如，NAND闪速存储器)的寿命。在没有地址映射信息的情况下，用户数据变得无法从存储装置100恢复。当检测到来自主机装置50的主电源故障时，存储装置100可以切换到使用来自内部电源130(例如，图2的电力损失保护(PLP)电容器)的电力作为短时间的临时能源，以将必要的数据从缓冲存储器115移动到存储器装置120(例如，NAND闪速存储器)。
来自主机装置50或电源130中的PLP电容器的电力可以通过多个电源转换器(例如，直流(DC)-DC转换器)转换为存储装置100的内部电源。图3A和图3B示出了用于提供SSD的内部电源的装置的示例。图3A和图3B的装置可以联接到图2的电源控制器150。可选地，图3A和图3B的装置可以在电源130内部实现。图3A和图3B的装置可以接收来自主机装置50或电源130的PLP电容器的电源VIN作为输入电源，并生成具有不同电压电平的各种操作电压。
在图3A中，SSD的内部电源通过在电源管理集成电路(PMIC)中实现的多个DC-DC转换器进行转换。SSD一直在发展，以将单个PMIC用于所有内部电源。单个PMIC包括多个DC-DC转换器并具有对应于多个DC-DC转换器的多个输出通道(例如，n个通道CH1至CHn)。转换器对SSD具有不同的最大电压限制和最大电流限制。进一步地，PMIC可以包括硬件可配置ROM和寄存器。硬件可配置ROM可以被配置为满足特定的SSD电源设计要求，并且可以由预编程到ROM中的硬件代码控制。内部集成电路(I2C)总线可以连接在片上系统(SoC)控制器和PMIC的寄存器之间。因此，控制器的固件(FW)可以读取或写入各种杂项(misc.)配置的寄存器，以执行诸如PLP电容器健康检查的特殊任务，并获取所有内部DC-DC转换器的工作状态。另外，PMIC可以向SoC控制器输出一些特殊的控制信号，诸如硬件复位、电源故障中断、PLP电容器电源警告等。PMIC还从SoC控制器接收诸如中断的控制信号，以指示将数据从缓冲存储器115清除到存储器装置120是否完成。
在图3B中，SSD的内部电源通过多个分立的DC-DC转换器转换。多个分立的DC-DC转换器可以是硬连线的，并且不可编程以实现诸如电源顺序调整的灵活性。DC-DC转换器和SoC控制器之间没有通信。
SSD的各种操作电压可以被提供到内部组件，诸如存储器控制器(例如，片上系统(SoC)控制器)110、缓冲存储器115、存储器装置120和杂项(misc.)装置。在图3A和图3B所示的示例中并且在没有任何限制的情况下，SSD可以使用如列表1中示出并定义的多种操作电压(例如，8种电压)：
列表1：
Figure BDA0003452528670000081
如列表1所示，SSD的操作电压可以包括存储器控制器110的电压(即，SoC_Core、SoC_IO_AON)、缓冲存储器115的电压(即，DDR_Core_IO、DDR_VPP)、存储器装置120的电压(即，NAND_Core、NAND_IO、NAND_VPP)和杂项装置的电压(即，Power_n)。
SSD不具有防止电源(即，DC-DC转换器)故障的电源保护组件。任何内部电源的故障都可能使SSD的操作停止，并导致内部数据丢失，例如，缓冲存储器115中的地址映射信息丢失。因此，存储在存储器装置120中的用户数据无法恢复。因此，需要保护SSD的内部电源免受内部电源故障的影响。
实施例提供针对存储装置(例如，SSD)的内部电源故障保护的系统和方法。在一些实施例中，当系统检测到故障电源的电源故障时，SSD的内部电源保护系统可以立即将内部电源从故障电源切换到备用电源。因此，SSD可以继续正常工作而不会丢失任何数据。另外，SSD的SoC控制器可以接收来自系统的中断信号以采取适当的动作。
图4是示出根据本发明的实施例的电源保护系统400的示图。作为示例而没有任何限制，电源保护系统400可以用于诸如固态驱动器的存储装置。
参照图4，电源保护系统400可以包括多个电源转换器PS1-PSn 410、备用电源转换器420、电源开关阵列430和电源控制复杂可编程逻辑装置(CPLD)440。
多个电源转换器PS1-PSn 410可以接收输入电源，生成具有不同电压电平的各种操作电压并且通过电源开关阵列430提供操作电压。在一些实施例中，每个电源转换器可以是图2中的内部电源调节器，接收来自主机装置50或图2的电源130的输入电源，并生成用于内部组件(例如，存储器控制器110、缓冲存储器115和存储器装置120)的设定的操作电压。
在实施例中，多个电源转换器PS1-PSn 410可以是在如图3A和图5所示的电源管理集成电路(PMIC)中实现的多个直流(DC)-DC转换器。在另一实施例中，多个电源转换器PS1-PSn 410可以是如图3B和图6所示的多个分立的DC-DC转换器。
备用电源转换器420可以在电源控制CPLD 440的控制下生成备用操作电压，并通过电源开关阵列430将备用操作电压提供到内部组件。备用操作电压可以是替换待由多个电源转换器410之中的故障电源转换器生成的操作电压的电压。
在一些实施例中，备用电源转换器420可以由需要电源故障保护的所有内部电源(即，电源转换器PS1-PSn)共享。备用电源转换器420的输出电压电平可以由电源控制CPLD440通过备用电源转换器420的内部寄存器配置。
电源开关阵列430可以包括对应于多个电源转换器PS1-PSn 410的多个电源开关对PSW1-PSWn。每个电源开关对可以包括联接在多个电源转换器PS1-PSn 410之中的电源转换器与内部组件之间的第一电源开关(即，底部开关)和联接在备用电源转换器420与内部组件之间的第二电源开关(即，顶部开关)。
在一些实施例中，每个电源开关对可以包括两个功率场效应晶体管(FET)，两个功率场效应晶体管(FET)包括第一电源开关(即，FET_bottom)和第二电源开关(即，FET_top)。
电源控制CPLD 440可以监控多个电源转换器PS1-PSn 410的电源故障。当检测到多个电源转换器PS1-PSn 410之中的某个电源转换器的电源故障时，电源控制CPLD 440可以配置备用电源转换器420的电源电平。所配置的电源电平可以对应于故障电源转换器。进一步地，电源控制CPLD 440可以控制对应于故障电源转换器的目标电源开关对，使得备用电源转换器420所生成的操作电压通过目标电源开关对的第二电源开关施加到内部组件。
在一些实施例中，电源控制CPLD 440可以基于内部电源中的每一个的预设阈值来监控所有内部电源的欠压和过压事件。一旦检测到内部电源转换器的故障，电源控制CPLD440可以立即将备用电源转换器420的输出电压电平配置为与故障内部电源的输出电压电平相同。此时，电源控制CPLD 440可以控制功率FET对，使得故障内部电源转换器的电源可以从故障电源转换器切换到备用电源转换器420。
如上所述，多个电源转换器PS1-PSn 410可以是在如图5所示的电源管理集成电路(PMIC)中实现的多个直流(DC)-DC转换器或如图6所示的多个分立的DC-DC转换器。在图5中，PMIC中的多个电源转换器PS1-PSn 410可以通过多个PMIC通道联接到电源开关阵列430和电源控制CPLD 440。在图6中，多个分立的DC-DC转换器410可以是硬连线的并且联接到电源开关阵列430和电源控制CPLD 440。
参照图5和图6，电源开关阵列430可以利用多个电源开关即功率FET的阵列来实现。两个功率FET可以形成一对FET_top和FET_bottom。在每个功率FET对中，FET_bottom可以联接到多个电源转换器410之中的相应电源转换器，FET_top可以联接到备用电源转换器420。每个功率FET对可以由电源控制CPLD 440控制。多个电源开关可以提供SSD的内部组件的各种操作电压。在一些实施例中，如列表1所示，SSD的操作电压可以包括存储器控制器110的电压(即，SoC_Core、SoC_IO_AON)、缓冲存储器115的电压(即，DDR_Core_IO、DDR_VPP)、存储器装置120的电压(即，NAND_Core、NAND_IO、NAND_VPP)和杂项装置的电压(即，Power_n)。
电源控制CPLD 440可以包括控制器442、输入接口444和输出接口446。输入接口444可以接收模拟输入和数字输入并且传送数字输出。模拟输入可以包括多个电源转换器410的操作电压以及来自主机装置50或电源130(即，PLP电容器)的输入电压Vin。
控制器442可以使用输入接口444的模拟输入来监控多个电源转换器410的操作电压以检测故障电源转换器的电源故障。控制器442可以使用设定的电压电平来确定电源转换器中的任意一个是否具有欠压或过压故障。可选地，故障电源转换器的电源故障的检测可以由输入接口444执行。进一步地，控制器442可以基于故障电源转换器的电源故障的检测来控制输入接口444和输出接口446。
输入接口444可以基于故障电源转换器的电源故障的检测，从控制器442接收与故障电源转换器的电压电平相对应的数字输入。进一步地，数字输入可以包括来自其它装置的信号。输入接口444可以与备用电源转换器420通信以将电压调整为等于故障电源转换器的设定的电压电平。在一些实施例中，输入接口444可以通过内部集成电路(I2C)总线与备用电源转换器420通信。
输出接口446可以包括由控制器442控制的中断生成器和电源开关(即，FET)驱动器。中断生成器可以生成中断信号以通知故障电源转换器已发生电源故障。在一些实施例中，输出接口446可以生成电源故障中断(PFI)并将PFI提供到存储器控制器(例如，SoC控制器)110。
电源开关(即，FET)驱动器可以驱动电源开关阵列430之中的目标电源开关对。电源开关驱动器可以向对应于故障电源转换器的目标电源开关对输出使能信号EN。使能信号EN可以禁用目标电源开关对的第一电源开关并且启用目标电源开关对的第二电源开关，使得备用电源转换器420联接到内部组件。
在一些实施例中，电源开关驱动器可以包括对应于多个功率FET对的多个功率FET驱动器。当没有检测到电源故障时，对于FET对的每一个，功率FET_top关闭，功率FET_bottom开启。因此，内部电源从其相应的电源转换器获得电力。当检测到内部电源故障时，功率FET_top开启，功率FET_bottom关闭。因此，内部电源从备用电源转换器420获得电力。
图7是示出根据本发明的实施例的电源保护系统400的操作方法的流程图。图7的操作方法可以由电源控制CPLD 440通过硬件描述语言(HDL)代码来实现。
参照图7，在SSD上电之后，在操作710，电源控制CPLD 440可以确定输入电压VIN是否良好。当确定输入电压VIN良好时，在操作720，电源控制CPLD 440可以执行初始化操作。对于该操作，电源控制CPLD440可以开启所有第一电源开关(即，FET_bottom(FET_BOT))并关闭所有第二电源开关(即，FET_top(FET_TOP))。进一步地，电源控制CPLD 440可以启用备用电源转换器(即，DC-DC转换器)420。
在操作730，电源控制CPLD 440可以监控多个电源转换器的电源故障，以检测多个电源转换器410之中的某个电源转换器(即，任何PMIC通道或分立的DC-DC转换器)的电源故障。当检测到某个电源转换器的电源故障时，在操作740，电源控制CPLD 440可以执行电源故障动作。第一，电源控制CPLD 440可以通过控制输出接口446的中断生成器向存储器控制器(例如，SoC控制器)110发送电源故障中断(PFI)(例如，逻辑电平‘0’)。第二，电源控制CPLD 440可以通过控制输入接口444将备用电源转换器420的输出调整为故障电源转换器的电压电平。第三，电源控制CPLD 440可以控制与故障电源转换器相对应的目标电源开关对。换言之，电源控制CPLD 440可以关闭目标电源开关对的FET_bottom(FET_BOT)并开启目标电源开关对的FET_top(FET_TOP)。
返回参照图5和图6，备用电源转换器420可以包括电压解码器422和寄存器(Regs.)424。电压解码器422可以通过硬连线路径从电源控制CPLD 440接收与备用电源转换器420的多个电压电平相对应的多个信号，并且对相应的电压电平进行解码。例如，可以采用3个信号来指示8个电压电平。寄存器(Regs.)424通过I2C总线从电源控制CPLD 440接收电压电平以调整备用电源转换器420的输出电压。
在一些实施例中，电源控制CPLD 440可以使用硬连线路径和I2C总线的组合来调整备用电源转换器420的输出电压。由于硬连线路径比I2C总线快，因此硬连线路径可以用作第一步，I2C总线可以用作第二步。在第一步，可以使用硬连线路径将备用DC-DC转换器420的输出电压快速但粗略地设置为近似电平。在第二步，可以使用I2C总线将备用DC-DC转换器420的输出电压准确地调整到期望电平。
在一些实施例中，备用电源转换器420可以是内部具有降压器(step-down buck)的小型单通道PMIC，因为除了操作电压NAND_VPP之外，所有内部电源都使用降压器。操作电压NAND_VPP采用升压器，但由于NAND闪速存储器具有内部升压切换的事实，因此不需要保护。
当上电时，备用电源转换器420可以启动输出降压器制造商设置的默认电压。一旦上电，则可以通过电源控制CPLD 440经由I2C总线控制备用电源转换器420的内部寄存器424来调整备用电源转换器420的输出。
在一些实施例中，备用电源转换器420的输出可以被设置为所有内部电源转换器的中间电压电平。该方案可以根据需要减少电压斜升或斜降的转换时间。在一些实施例中，备用电源转换器420的功率容量可以与所有电源转换器之中的最高容量相匹配。
在图5和图6的电源保护系统400中，从检测到内部电源故障到备用DC-DC转换器420稳定输出的总转换时间可能受故障内部电源的最小允许压降电平的限制。电源保护系统400的总转换时间主要由以下组成：电源控制CPLD 440的故障检测、电源控制CPLD 440与备用DC-DC转换器420之间的通信、备用DC-DC转换器420的输出电压调整以及功率FET开关阵列430之中的相应功率FET开关的切换。其中，电源控制CPLD 440与备用DC-DC转换器420之间经由I2C总线进行通信来设置备用DC-DC转换器420的期望输出电压消耗大部分时间。
图8A示出了根据本发明的实施例的具有欠压故障的内部电源电压转换过程与允许的总转换时间。
参照图8A，要求备用DC-DC转换器420在内部电源电压电平下降到最小工作电压电平之前完成其输出电压调整和启动。对于该要求，来自电源控制CPLD 440的一组输出信号通过硬连线路径被提供到备用DC-DC转换器420。该组输出信号可以由备用DC-DC转换器420的电压解码器422解码，作为待设置的期望电压电平。例如，可以采用3个信号来指示8个电压电平。硬连线路径的信号提供比通过I2C总线通信以写入备用DC-DC转换器420的寄存器424快得多。如上所述，由于I2C总线操作可以以更精细的分辨率设置电压电平，因此电源控制CPLD440可以使用两条路径。也就是说，硬连线路径可以用作第一步，然后I2C路径可以用作第二步。
类似地，图8A的方案可以应用于图8B，图8B示出了具有过压故障的内部电源电压转换过程与允许的总转换时间。
参照图8B，要求备用DC-DC转换器420在内部电源电压电平升高到最大工作电压电平之前完成其输出电压调整和启动。对于该要求，来自电源控制CPLD 440的一组输出信号通过硬连线路径被提供到备用DC-DC转换器420。该组输出信号可以由备用DC-DC转换器420的电压解码器422解码，作为待设置的期望电压电平。例如，可以采用3个信号来指示8个电压电平。硬连线路径的信号提供比通过I2C总线通信以写入备用DC-DC转换器420的寄存器424快得多。如上所述，由于I2C总线操作可以以更精细的分辨率设置电压电平，因此电源控制CPLD440可以使用两条路径。也就是说，可以首先使用硬连线路径，然后可以使用I2C路径。
在图8A和图8B中，由于最小或最大工作电压电平所允许的转换时间限制，在电源故障检测期间实施耗时的双重检查功能来过滤掉潜在的假电源故障事件可能是不切实际的。然而，电源电压自然包含可能掩盖故障触发电平的噪声(noise)和干扰(glitch)。为此，可以执行如图9所示的后检查方案。
图9是示出根据本发明的实施例的电源保护系统400的后检查操作的流程图。
在发生故障事件时内部电源被切换到备用DC-DC转换器420之后，电源保护系统400的电源控制CPLD 440仍然监控故障电源转换器(即，故障的PMIC通道或故障的分立的DC-DC转换器)的输出，以执行图9的后检查操作。
参照图9，电源控制CPLD 440可以根据“N击过滤(N-striking filtering)”来执行后检查操作，其中N可以是1、2、3或更大。在操作910，电源控制CPLD 440可以检查故障电源转换器的输出。当检查到故障电源转换器的输出良好时，在操作915，电源控制CPLD 440可以等待设定的时间段(例如，x毫秒)。在经过设定的时间段之后，在操作920，电源控制CPLD440可以再次检查故障电源转换器的输出。换言之，在连续检查之间插入设定的时间段x以等待电压再次反弹回不良电平，以便过滤掉可能的电压噪声和干扰。在一些实施例中，x可以由电源控制CPLD 440设定以与实际电源噪声分布(profile)相匹配。连续检查中的任何检查失败都可以从操作910的第一次检查开始整个过程。因此，电源控制CPLD 440可以对故障电源转换器的输出执行N次连续检查。确定所有N次连续检查都良好意味着故障电源转换器的先前故障实际上是假的。因此，在操作940，电源控制CPLD 440可以采取故障恢复动作。故障恢复动作可以包括：1)将内部电源切换回故障电源转换器(即，PMIC通道或DC-DC转换器)(即，恢复故障电源转换器)；2)将PFI从逻辑电平‘0’改变为逻辑电平‘1’以通知存储器控制器(例如，SoC控制器)110假故障事件；以及3)将备用DC-DC转换器420的输出调整回原始设定的电压电平(例如，所有内部电源转换器的中间电压电平)。
如上所述，实施例提供了一种电源故障保护系统，该电源故障保护系统能够持续监控诸如SSD的存储装置中的任何内部电源故障事件。一旦检测到电源故障，系统立即调整备用DC-DC转换器的输出电压电平以与故障电源转换器的输出电压电平相匹配，并将故障电源转换器替换为备用DC-DC转换器(即，断开故障电源转换器并连接备用DC-DC转换器)。系统还发送信号以通知SoC控制器内部电源故障事件。实施例减少了由于SSD的内部电源故障而导致的数据丢失并且在SSD中提供有效的内部电力损失保护。
尽管为了清楚和理解的目的已经详细地示出和描述了前述实施例，但是本发明不限于所提供的细节。如本领域技术人员根据前述公开内容将理解的，存在实施本发明的许多替代方式。因此，所公开的实施例是示例性的，而非限制性的。本发明旨在涵盖落入权利要求书的范围内的所有修改方案和替代方案。此外，可以对实施例进行组合，以形成另外的实施例。

Claims (20)

1.一种固态驱动器的电源故障保护系统，所述电源故障保护系统包括：
多个电源转换器，每个电源转换器向所述固态驱动器的内部组件提供设定的操作电压；
备用电源转换器，向所述内部组件提供备用操作电压；
电源开关阵列，包括多个电源开关对，每个电源开关对包括联接在所述多个电源转换器之中的电源转换器与所述内部组件之间的第一电源开关和联接在所述备用电源转换器与所述内部组件之间的第二电源开关；以及
电源控制复杂可编程逻辑装置，所述电源控制复杂可编程逻辑装置被配置成：
监控所述多个电源转换器的电源故障；
当检测到所述多个电源转换器之中的某个电源转换器的电源故障时，配置所述备用电源转换器的电源电平，所配置的电源电平对应于故障电源转换器；并且
控制与所述故障电源转换器相对应的目标电源开关对，使得所述备用电源转换器生成的操作电压通过所述目标电源开关对的第二电源开关施加到所述内部组件。
2.根据权利要求1所述的电源故障保护系统，其中所述多个电源转换器包括电源管理集成电路即PMIC中包括的多个直流-直流转换器即DC-DC转换器，或者分立的DC-DC转换器。
3.根据权利要求1所述的电源故障保护系统，其中所述多个电源开关对中的每一对中的每个电源开关包括功率场效应晶体管即功率FET。
4.根据权利要求1所述的电源故障保护系统，其中所述电源控制复杂可编程逻辑装置包括：
输入接口，接收所述多个电源转换器的操作电压，并且与所述备用电源转换器通信以将电压调整为等于所述故障电源转换器的设定的电压电平；
输出接口，生成中断信号以通知所述故障电源转换器的电源故障已经发生，并驱动所述目标电源开关对；以及
控制器，监控所述多个电源转换器的操作电压以检测所述故障电源转换器的电源故障，并基于所述故障电源转换器的电源故障的检测来控制所述输出接口驱动所述目标电源开关对。
5.根据权利要求4所述的电源故障保护系统，其中所述输出接口包括电源开关驱动器，并且
其中所述控制器控制所述电源开关驱动器禁用所述目标电源开关对的第一电源开关并启用所述目标电源开关对的第二电源开关，使得所述备用电源转换器联接到所述内部组件。
6.根据权利要求4所述的电源故障保护系统，其中所述输出接口包括生成所述中断信号并将所述中断信号传输到所述固态驱动器的存储器控制器的中断生成器。
7.根据权利要求4所述的电源故障保护系统，其中所述备用电源转换器具有所述多个电源转换器之中的最高电源转换器的功率容量，并被设置为具有所有所述多个电源转换器的中间电压电平。
8.根据权利要求4所述的电源故障保护系统，其中所述电源控制复杂可编程逻辑装置通过硬连线路径和内部集成电路总线即I2C总线的组合与所述备用电源转换器通信。
9.根据权利要求4所述的电源故障保护系统，其中所述电源控制复杂可编程逻辑装置在从所述故障电源转换器切换到所述备用电源转换器之后，检查所述故障电源转换器是否正常操作。
10.根据权利要求9所述的电源故障保护系统，其中所述电源控制复杂可编程逻辑装置在设定的时间段内多次检查所述故障电源转换器是否正常操作。
11.根据权利要求9所述的电源故障保护系统，其中当检查到所述故障电源转换器正常操作时，所述电源控制复杂可编程逻辑装置通过控制与所述故障电源转换器相对应的目标电源开关对来恢复所述故障电源转换器，使得恢复的电源转换器生成的电压通过所述目标电源开关对的第一电源开关施加到所述内部组件。
12.根据权利要求1所述的电源故障保护系统，其中所述内部组件包括彼此联接的存储器控制器、存储器装置和缓冲存储器。
13.一种固态驱动器，包括：
内部组件，包括彼此联接的存储器装置、缓冲存储器和存储器控制器；以及
电源故障保护系统，从主机接收电力，生成一个或多个不同的操作电压，并将所述操作电压中的一个提供到所述内部组件，
其中所述电源故障保护系统包括：
多个电源转换器，每个电源转换器向所述内部组件提供设定的操作电压；
备用电源转换器，向所述内部组件提供备用操作电压；
电源开关阵列，包括多个电源开关对，每个电源开关对包括联接在所述多个电源转换器之中的电源转换器与所述内部组件之间的第一电源开关和联接在所述备用电源转换器与所述内部组件之间的第二电源开关；以及
电源控制复杂可编程逻辑装置，所述电源控制复杂可编程逻辑装置被配置成：
监控所述多个电源转换器的电源故障；
当检测到所述多个电源转换器之中的某个电源转换器的电源故障时，配置所述备用电源转换器的电源电平，所配置的电源电平对应于故障电源转换器；并且
控制与所述故障电源转换器相对应的目标电源开关对，使得所述备用电源转换器生成的操作电压通过所述目标电源开关对的第二电源开关施加到所述内部组件。
14.根据权利要求13所述的固态驱动器，其中所述多个电源转换器包括电源管理集成电路即PMIC中包括的多个直流-直流转换器即DC-DC转换器，或者分立的DC-DC转换器，并且
其中所述多个电源开关对中的每一对中的每个电源开关包括功率场效应晶体管即功率FET。
15.根据权利要求13所述的固态驱动器，其中所述电源控制复杂可编程逻辑装置包括：
输入接口，接收所述多个电源转换器的操作电压，并且与所述备用电源转换器通信以将电压调整为等于所述故障电源转换器的设定的电压电平；
输出接口，生成中断信号以通知所述故障电源转换器已发生电源故障，并驱动所述目标电源开关对；以及
控制器，监控所述多个电源转换器的操作电压以检测所述故障电源转换器的电源故障，并基于所述故障电源转换器的电源故障的检测来控制所述输出接口驱动所述目标电源开关对。
16.根据权利要求15所述的固态驱动器，其中所述输出接口包括电源开关驱动器，并且
其中所述控制器控制所述电源开关驱动器禁用所述目标电源开关对的第一电源开关并启用所述目标电源开关对的第二电源开关，使得所述备用电源转换器联接到所述内部组件。
17.根据权利要求15所述的固态驱动器，其中所述输出接口包括生成所述中断信号并将所述中断信号传输到所述存储器控制器的中断生成器。
18.根据权利要求15所述的固态驱动器，其中所述备用电源转换器具有所述多个电源转换器之中的最高电源转换器的功率容量，并被设置为具有所有所述多个电源转换器的中间电压电平。
19.根据权利要求15所述的固态驱动器，其中所述电源控制复杂可编程逻辑装置通过硬连线路径和内部集成电路总线即I2C总线的组合与所述备用电源转换器通信。
20.根据权利要求15所述的固态驱动器，其中所述电源控制复杂可编程逻辑装置：
在从所述故障电源转换器切换到所述备用电源转换器之后，在设定的时间段内多次检查所述故障电源转换器是否正常操作；并且
当检查到所述故障电源转换器正常操作时，通过控制与所述故障电源转换器相对应的目标电源开关对来恢复所述故障电源转换器，使得恢复的电源转换器生成的电压通过所述目标电源开关对的第一电源开关施加到所述内部组件。
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