任何电源故障，无论它只是一个小故障、浪涌或完全断电，都可能潜在地损坏存储设备和损坏数据，除非有一个有效的电源失效保护(PLP)机制。

随着越来越多的固态硬盘被部署到企业和工业环境中，必须要有一种有效的断电保护技术来避免意外断电可能带来的危害。

例如，在一个典型的数据中心中，可以部署数百个SSD。在电源故障的情况下，驱动器可能会损坏，导致大量停机，因为驱动器需要重新格式化和重新安装操作系统；数据丢失会对业务运作产生不利影响，并影响客户关系。此外，损坏的驱动器需要更换，这将导致更高的运营成本。

不安全的关闭如何影响SSD

当主机想要将数据写入SSD时，如果SSD具有DRAM缓存，则在将数据刷新到非易失性闪存以进行安全保护之前，数据会最初存储在临时缓冲区（易失性存储器）中； 否则，数据将直接存储到NAND闪存（非易失性存储器），即使在断电时也可以安全地存储在其中。

在正常系统关闭期间，主机首先向SSD警告系统正在关闭。 然后，SSD准备断电，将数据从易失性存储刷新到非易失性闪存，然后向主机发送信号，表明驱动器已准备好断电。

该过程完成了两项重要的工作：首先，确保在断电之前安全地存储了数据； 其次，映射表已更新。 映射表跟踪与物理闪存页面有关的逻辑块地址，并指出数据在闪存驱动器上的存储位置。

图1.在正常的系统关闭中，数据被刷新到NAND闪存中，并且SSD向主机发出信号，表明驱动器已准备好断电

当电源在关闭通知完成之前终止时，就会发生不安全的关闭。这会阻止临时缓冲区中的数据被移动(“刷新”)到非易失性NAND上，从而导致数据损坏或丢失，或导致存储设备不可用。不安全关机的例子包括意外断电、意外从计算机删除SSD、在电源仍在开启时拔下存储设备的插头，或电池断电。

SSD特别容易发生断电事件。 与HDD不同，SSD没有机械部件，因此每个组件都是电子的。 SSD的内部数据管理涉及许多在后台发生的操作，每次电源故障都可能导致这些操作的不正常中断，从而可能影响驱动器性能。

微控制器：提供下一代断电保护

电源失效保护(PLP)机制已经应用在大多数SSD上，特别是那些为高性能应用设计的。这种工业级存储设备通常广泛部署在恶劣的环境中，全天候运行，要求设备性能不受影响。

典型的PLP解决方案包括使用电池和超级电容器提供了备份电源，断电时控制器和闪存可以完成写入功能。

ATP电子公司是最早设计和发布较小尺寸固态硬盘（例如带有板载PLP阵列的M.2 2242）的公司之一，它采用了微控制器单元（MCU），在行业中为下一代Serial ATA 和NVMe SSDs提供了无与伦比的PLP保护等级。

MCU如何增强PLP机制

全新设计的PLP阵列集成到了ATP PowerProtector 4中，它利用新的电源管理IC（PMIC）和新的可编程固件MCU，使PLP阵列能够在各种温度，电源故障和电源状态下智能运行。

图2.具有PMIC和固件可编程MCU的ATP新型PLP阵列

• MCU通过I²C接口智能地监测毛刺掉电情况，并检查电容器的健康状态。
• 如果发生意外的断电情况，则聚合物钽电容器可为数据高速缓存刷新提供足够的维持电源。
• MCU可以持续检测电源故障情况； 例如，对于2.5英寸固态硬盘，如果输入电压连续几个毫秒下降到小于4.0 V（去毛刺后），MCU将通知控制器开始缓存刷新，同时，电容器将被激活， 为缓存刷新提供支持。

图3.在最新的ATP NVMe SSD上实现的基于MCU的设计

特性和优点

• 输入过压保护。输入电压是指提供给电路的电压。SSD通常有一个允许输入电压的特定范围——例如，ATP的2.5英寸SSD的输入电压上限为16伏，而其他SSD产品的输入电压上限为7伏。当输入电压高于规定值时，会对元件造成不可逆的损坏。

下一代ATP SSD具有在外部输入电压和内部SSD电路之间切换的功能。 此开关由MCU控制。 由于MCU实时监视输入电压，一旦检测到输入电压高于指定的最大容差额定值，它会通过向保护开关发送信号来切断输入电压来保护SSD。

• 浪涌电流抑制。浪涌电流是指系统在开启时汲取的大电流。 此初始电流，也称为接通浪涌电流或输入浪涌电流，以对电容器，电感器和变压器充电。 上电浪涌电流过高时，可能会损坏电路和组件。 最新的ATP SATA和NVMe SSDs基于MCU的设计可通过启用软启动机制来最大程度地减小浪涌电流对SSD的影响，从而确保浪涌电流不会超过指定的阈值。

• 输入电源噪声去毛刺。输入电源噪声是指电源不稳定，导致不希望的周期性纹波和尖峰的情况。

MCU通过一种判断机制来帮助消除噪声干扰，该机制可以检测何时功率下降到某个值以下，从而正确地识别出功率损耗或简单的电源不稳定。 如果没有MCU，电源不稳定可能会被误认为是电源故障，从而错误地触发缓存刷新，并有可能导致SSD“挂起”或冻结。

• 快速电源开关控制。电源开关控制是管理电源关闭和下次电源打开之间的时序的机制。 MCU设计可确保更快，更高效的电源开/关控制。下表说明了采用基于MCU的控制的SSD与未使用SSD的SSD相比的优势：

表1.具有/不具有MCU的SSD电源开关

使用基于MCU的PLP，可以确保快速的电源开/关控制，而不会由于未正确重置控制器而导致未检测到驱动器的潜在风险。

•  PLP电容器过压保护

聚合物钽电容器是ATP PLP技术的重要组成部分。 通过提供保持电源，它们可以确保将DRAM高速缓存中的数据刷新到NAND闪存中以进行安全维护，并且在发生断电事件时完成最后的写入命令。

过度充电会损坏电容器，从而损害其保护功能。 MCU实时监控电容器电压，并在检测到电压过高后立即禁用充电。 这保证了PLP电容足以在断电事件期间完成高速缓存刷新。 它还可以防止PLP电容器过早老化。

总结与结论

ATP PowerProtector 4集成了基于MCU的设计，可为ATP的下一代SATA和NVMe SSD提供增强的电源管理和PLP功能。 通过结合硬件和固件解决方案，基于MCU的设计可保护数据以及存储设备，以实现更高级别的完整性和可靠性。 根据客户要求，可以定制增强功能，从而可以根据独特的需求，特定于应用程序的需求或用例量身定制PLP功能。

下表总结了与每个功能相对应的好处。

表2.汇总表显示了每种MCU功能和优势如何为ATP的最新固态驱动器和模块提供增强的PLP功能。

采用基于MCU的新设计的下一代ATP SSD包括mSATA，2.5英寸SSD，M.2 2242/2280和NVMe模块。 固态硬盘支持I-Temp和C-Temp，还支持RAID引擎和端到端数据路径保护功能。 ATP的“工业”解决方案经过严格的测试和验证，可满足关键任务应用程序的高可靠性，高性能和高耐用性要求，以提供最佳的总拥有成本（TCO）价值。 

想要了解更多，请访问ATP网站或联系ATP代表/经销商。