一款基于法拉電容的UPS電路設(shè)計(jì)思路

您是否有遇到使用中的程序無故丟失？產(chǎn)品調(diào)試非常穩(wěn)定，布置到現(xiàn)場(chǎng)后頻繁系統(tǒng)崩潰和數(shù)據(jù)遺失，亦或產(chǎn)品應(yīng)用一年后批量涌現(xiàn)存儲(chǔ)器件損壞？本文將深入探明這些問題的原因及提供參考解決方案。

Nand-Flash/eMMC（帶有Flash控制器的Nand-Flash）作為一種非線性宏單元模式存儲(chǔ)器，為固態(tài)大容量存儲(chǔ)的實(shí)現(xiàn)提供了廉價(jià)有效的解決方案。Nand-Flash存儲(chǔ)器具有容量大，改寫速度快等優(yōu)點(diǎn)，適用于大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，因而越來越廣泛地應(yīng)用在如嵌入式產(chǎn)品、智能手機(jī)、云端存儲(chǔ)資料庫(kù)等業(yè)界各領(lǐng)域。

圖1 Nand-Flash與eMMC芯片

一、存儲(chǔ)器件使用壽命

使用了Nand-Flash的主板出現(xiàn)丟數(shù)據(jù)掉程序現(xiàn)象，是一個(gè)讓無數(shù)工程師毛骨悚然的事故。眼看著程序用著用著就消失了，只能干著急也無法下手。有經(jīng)驗(yàn)的工程師手起刀落換上一顆新物料，熬夜補(bǔ)代碼繼續(xù)撐過半個(gè)項(xiàng)目周期?；仡^無處發(fā)泄還要大刀闊斧換廠商、換品牌。與其換幾片Nand-Flash還能負(fù)擔(dān)得起，但畢竟這是一個(gè)無底洞，不如去深入探明問題原因，不然散盡家財(cái)也無法彌補(bǔ)虧空。

器件數(shù)據(jù)手冊(cè)中通常描述Nand-Flash的塊擦寫壽命達(dá)10萬次，EMMC的塊擦寫最高也會(huì)有1萬次；同理，EEPROM、SD卡、CF卡、U盤、Flash硬盤等存儲(chǔ)介質(zhì)在都存在寫壽命的問題。在文件系統(tǒng)向?qū)憯?shù)據(jù)的底層存儲(chǔ)器塊寫數(shù)據(jù)時(shí)，常規(guī)會(huì)先將塊里的數(shù)據(jù)讀出來，擦除塊干凈后，將需要寫入的數(shù)據(jù)和之前讀出來的塊數(shù)據(jù)一起在回寫到存儲(chǔ)器里面去，如果文件系統(tǒng)寫平衡沒有處理好，特別是要求1分鐘以內(nèi)要記錄一次數(shù)據(jù)這樣頻繁的擦寫塊操作，就有可能將Nand-Flash或EMMC的塊寫壞。

二、存儲(chǔ)器件掉電丟數(shù)據(jù)

文件系統(tǒng)向存儲(chǔ)器寫數(shù)據(jù)時(shí)，常規(guī)是先將塊里的數(shù)據(jù)讀出來，擦除塊干凈后，將需要寫入的數(shù)據(jù)和之前讀出來的塊數(shù)據(jù)一起在回寫到存儲(chǔ)器里面去。如果設(shè)備在擦除塊過程中或者在回寫數(shù)據(jù)過程中意外發(fā)生斷電甚至電壓不穩(wěn)定，均會(huì)造出數(shù)據(jù)丟失或者損壞。如果丟失的數(shù)據(jù)是文件系統(tǒng)的FAT表，則會(huì)造成文件系統(tǒng)崩潰。這就是引起系統(tǒng)程序無法啟動(dòng)災(zāi)難性后果的原因。

三、系統(tǒng)數(shù)據(jù)保護(hù)方案

很多時(shí)候，產(chǎn)品在未出廠前燒錄程序、反復(fù)測(cè)試，無論怎樣折騰也不會(huì)出現(xiàn)丟程序的情況。這可能的因素是測(cè)試設(shè)備保證了穩(wěn)定的運(yùn)行中電源輸出，因此系統(tǒng)運(yùn)行中正常的Flash保護(hù)機(jī)制是可靠執(zhí)行的。

相對(duì)于用戶實(shí)際使用而言，想避免Flash損壞的情況。需要嚴(yán)格遵守產(chǎn)品說明使用，尤其注意避免在Flash擦除或?qū)懭脒^程中人為地突然掉電。這是存儲(chǔ)器件用法的一個(gè)大忌，即使完好的器件，如此不規(guī)范的使用也會(huì)大大縮短其壽命。而且不同環(huán)境下的電源系統(tǒng)五花八門，在電源不滿足功率要求情況下程序?qū)τ陔娫吹碗娏康?a target="_blank">檢測(cè)閾值較低，此時(shí)強(qiáng)制啟動(dòng)系統(tǒng)或執(zhí)行寫操作更會(huì)加劇系統(tǒng)耗電波動(dòng)，巨大的紋波也會(huì)引起CPU對(duì)存儲(chǔ)的誤操作。

解決此問題對(duì)于軟件方面而言：

• 調(diào)試系統(tǒng)或現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)，建議使用軟件復(fù)位，避免人為頻繁的通過斷電實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作；有斷電必要時(shí)，將打印信息添加如“系統(tǒng)加載完成”、“數(shù)據(jù)保存完畢”等指示說明后操作；

• 軟件采取Flash均衡保存算法，高效地調(diào)整更改數(shù)據(jù)時(shí)擦除的Flash區(qū)域大?。?/p>

• 可將數(shù)據(jù)先寫入內(nèi)存或者鐵電存儲(chǔ)器，然后定期的再將數(shù)據(jù)搬移到大的存儲(chǔ)器里面，減少直接斷Nand-Flash、EMMC擦寫次數(shù)；

• 在程序中加入或者提高電源電量檢測(cè)的閾值，程序上保證所有電源系統(tǒng)下的芯片在此閾值上均可以正常工作。

• 讀寫過程中仔細(xì)對(duì)壞塊表進(jìn)行維護(hù)更新，避免程序?qū)懭雺膲K。讀取數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)ECC校驗(yàn)，確保讀取數(shù)據(jù)無誤。

從硬件角度考慮需要注意：

• 用法上避免在Flash擦除或?qū)懭脒^程中人為突然掉電；

• 設(shè)計(jì)好處理控制核心的電源系統(tǒng)，防止CPU等在啟動(dòng)、運(yùn)行中，電源系統(tǒng)因瞬時(shí)變化引起的紋波等情況；

• 搭配掉電檢測(cè)電路，在檢測(cè)到外部電源掉電的同時(shí)，及時(shí)迅速關(guān)閉文件系統(tǒng)，停止向文件系統(tǒng)內(nèi)寫數(shù)據(jù)的操作；

• 添加文件系統(tǒng)電源域UPS電源，乃至整機(jī)掉電續(xù)航工作電源；

• 對(duì)于使用EEPROM等小容量存儲(chǔ)的用戶而言，可以考慮使用高可靠性的鐵電材料加工制成的鐵電非易失性存儲(chǔ)器FRAM來替換。FRAM可以像RAM一樣快速讀寫。數(shù)據(jù)在掉電后可以保存10年，且其讀寫壽命高達(dá)100億次，比EEPROM和其他非易失性記憶體系統(tǒng)可靠性更高，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，功耗低等優(yōu)點(diǎn)。

圖2 鐵電材料非易失性存儲(chǔ)器

下面簡(jiǎn)介一款基于法拉電容的UPS電路設(shè)計(jì)思路，要點(diǎn)如下：

• 由于電容存在個(gè)體差異，電容存儲(chǔ)電荷的速率不一樣，存在過充造成電壓超過耐壓值的問題，電路中存在多顆法拉電容時(shí)需要做均壓處理；

• 為保證電容能夠充滿電能，源端需采用恒流源充電；

• 為維持電容電壓穩(wěn)定，并降低充電電路功耗，需增加過壓檢測(cè)電路；

• 若對(duì)電壓高于法拉電容本身電壓上限的電源系統(tǒng)提供掉電續(xù)航時(shí)，Vcc_backup端需通過BOOST升壓電路后以實(shí)現(xiàn)，且注意系統(tǒng)正常時(shí)（充電過程中）關(guān)斷EN腳。

圖3 基于法拉電容的UPS核心電路

系統(tǒng)電源正常時(shí)，充電電路即給UPS充電。系統(tǒng)電源掉電時(shí)，UPS放電給系統(tǒng)提供備用電能，建議UPS在掉電后能持續(xù)給文件系統(tǒng)供電能力不低于10秒，在10秒續(xù)航期間內(nèi)，系統(tǒng)可以將電源異常狀態(tài)上報(bào)、及時(shí)保持臨時(shí)重要數(shù)據(jù)、關(guān)閉文件系統(tǒng)，保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，避免文件系統(tǒng)在掉電情況下出現(xiàn)損害，影響應(yīng)用程序的正常啟動(dòng)。

圖4 建議UPS充放電時(shí)序

此外系統(tǒng)掉電情況需要掉電檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)。使用一顆比較器器件即可，注意使用Output_VCC端供電，以確保外部掉電時(shí)，比較器仍然可以工作。比較器負(fù)端連接一個(gè)參考電壓，參考電壓由穩(wěn)壓二極管提供。正常供電時(shí)，比較器輸出電壓由升壓電路的反饋端分壓決定；掉電時(shí)，比較器輸出低電平，此時(shí)處理器仍未掉電，收到狀態(tài)信息可及時(shí)響應(yīng)處理。另一路掉電檢測(cè)可供其它功能使用。

圖5 系統(tǒng)掉電檢測(cè)電路

四、工業(yè)品質(zhì)穩(wěn)定可靠

在ARM內(nèi)核核心板、開發(fā)板、工控機(jī)等領(lǐng)域，M6708核心板、M/A335x核心板、M/A28x核心板、EPC系列工控主板、IoT系列無線主板/網(wǎng)關(guān)、DCP系列經(jīng)典工控機(jī)等產(chǎn)品中，核心板產(chǎn)品針對(duì)Nand-Flash有著完善的壞塊管理、工控主板添加掉電保護(hù)等措施。例如在Linux系統(tǒng)下加固Flash驅(qū)動(dòng)、對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行雙備份；軟件與硬件信號(hào)測(cè)試對(duì)Flash進(jìn)行10萬次掉電試驗(yàn)等。

同時(shí)，致遠(yuǎn)電子配備專業(yè)的EMC實(shí)驗(yàn)室、安規(guī)實(shí)驗(yàn)室、環(huán)境實(shí)驗(yàn)室等可實(shí)際模擬惡劣應(yīng)用狀況試驗(yàn)。結(jié)合優(yōu)質(zhì)供應(yīng)商保證各產(chǎn)品分立器件均達(dá)到EMC工業(yè)三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，有良好的靜電抗性、雷擊浪涌抗性、電瞬變?nèi)好}沖抗性、以及極低的EMI傳導(dǎo)騷擾情況；可實(shí)現(xiàn)-40℃~+85℃的工業(yè)級(jí)環(huán)境適應(yīng)性。為從Flash至整套目標(biāo)系統(tǒng)的可靠性安全穩(wěn)定提供切實(shí)保障。

圖6 DCP-1000L產(chǎn)品剖析圖示