业界评析：微型硬盘挑战移动设备的电源供给

据市场调研公司Information Network数据，2005年全球1英寸硬盘的出货量将从2004年的870万个增长到2,320万个，而2009年可增加到1.4亿个，复合年增率为75%左右。刺激微型硬盘出货量迅速增长的主要原因是，MP3播放器、PDA、数码相机和数码摄像机等使用微型硬盘的移动应用不断增加。

苹果电脑的iPod在便携式手持消费产品中确立了一种趋势：它是第一个采用微型硬盘的电池驱动的MP3播放器。随后，韩国的三星电子在去年末推出了SPH-V5400，据论证是第一个使用1.5GB硬盘的可拍照手机。显然，在便携产品领域存在一个利用硬盘取代闪存以提高存储容量的趋势，但硬盘确实带来了增加功耗的问题。现在，手机不仅变成了语音、数据和便携媒体中心，具有环绕声、高分辨率视频和静止影像功能，它还面临驱动硬盘微型马达的问题。

东芝的0.85英寸微硬盘

幸运的是，电源管理技术和元件方面取得的进展，以及数据排序和智能分区(硬盘与应用处理器之间)极大地降低了元件的潜在功耗。

电源管理的复杂性

按照现在的情况，可拍照手机的电源管理及功率传递链已十分复杂，涉及多达17个单独的稳压器。如果采用微型硬盘，将需要更多的稳压器。这些器件必须能够即时(在脉冲模式)提供相对较大的电流，而在硬盘旋转时提供较小的电流，并在硬盘需要停转时离线和进入睡眠态。

延长功能丰富的手机电池寿命的关键，在于稳压器的布局方式和各个稳压器的效率。在范围广泛的低压电路中，效率较高的开关模式稳压器已基本上取代了LDO，但它们可能把开关噪声带进敏感电路之中。另外，开关在轻电流负载的情况下往往会损失效率。显然，要使电源管理器件只提供所需的电压和电流，避免其它不必要的因素，是需要动一些脑筋的。

对用于手持设备的微型硬盘加以分析，就会发现可用选择相对较少。一种是东芝生产的硬盘，另一种是日立生产的(从IBM继承的技术)。一家名为Cornice(美国科罗拉多)的初创公司声称，已向飞利浦和三星等公司出货了100万个1英寸MP3“存储器件”。象其它HDD一样，该器件具有一个IDE接口，最大容量达3GB。

被最初的苹果电脑iPod所采用的东芝硬盘，具有30GB的容量，采用一个1.8英寸的盘片，寻道时间为15毫秒。Portelligent公司(美国德州)总裁David Carey发表的解析报告显示，该硬盘采用32MB的SDRAM作为缓冲器。Carey估计，大约相当于存储20分钟无跳跃的音乐。

在这些令人感兴趣的规格背后，iPod Mini等基于硬盘的音乐播放器都面临一个重大的电源管理问题：对于硬盘开始旋转时需要的电流尖峰作出有效反应。在Portelligent汇编的功耗分析中，当从硬盘上找到歌曲准备播放的时候，大约有5秒钟的时间功耗将升至1.5W。在实际播放过程中，功耗下降至0.4或0.2W，取决于用户在播放时是否开着背光。

功耗将在0.5W的范围内上下波动，取决于用户对于iPod的点击率和显示屏的使用情况。但据Portelligent的报告，硬盘访问和寻道动作显然消耗的功率最多。

为了从一个3.6V锂离子电源提供一个受约束的3V电源轨，制造商曾建议使用LDO以保证低噪声；后来，其它厂商利用“降压”拓扑完善了降压开关稳压器。但是，在早期手机中，当电池电压降至3或3.3V以下时，仍然不能确定电池还剩下多少容量。如果继续使用，将导致电池的可测量电压降至3V以下，有些估计指出，当电压处于3V时，电池最多剩下10%的容量。

有些制造商认为，升压拓扑——“升压”稳压器——当电池电压下降至3或2.8V时可能适合于使电源轨的电压回升至3.3V。

虽然降压和升压稳压器可以提供高转换效率，但稳压器开始的时候充当降压稳压器，然后再变成升压稳压器――这种“降压－升压”的类型转换，可能效率太低，无法从几乎电量耗尽的电池中多挤出一点额外电流。

美国凌特公司的便携产品营销经理Tony Armstrong表示，欧洲手机厂商仍然倾向于在电池电压降至3或3.1V时关机。他说，但韩国手机厂商会让电压一直降到2.8或2.7V。不过他提醒道：“你不会希望在较低的电压下挤出这么多的电流，因为这样会损害你的电池。”

但对于基于硬盘的手持音乐播放器设计人员来说，在电压降至3V时关掉机器不再是一个选项。虽然播放器，甚至外设和I/O电路的内部逻辑目前工作在更低的电压上，但HDD仍然需要3.3V的电压。因此，凌特等稳压器制造商提出了新的降压－升压拓扑，甚至将提供硬盘寻道操作通常需要的脉冲模式电流器件。

其中的一个例子是凌特公司的LTC3442，它在3.3V时提供高达1.2A的电流，效率高达95%。该器件从锂电池获得输入电压，并维持3.3V的输出，即使输入电压从4.2V降至2.5V。其开关频率在300 kHz至2 MHz范围内可调，LTC3442具有必要的片上集成的MOSFET驱动器。

德州仪器在电池燃料计量方面获得更多的经验之后，目前正在重新考虑电量几乎耗尽的锂离子电池中的实际可用电量。“便携电源管理不再是瞬时响应的函数，只不过是汽车燃料经济学，严格地说，是火花塞点火的函数。”德州仪器的便携电源管理事业部的总经理Dave Heacock表示。“你必须考虑整个电源传递链。”他指出新的电池化学允许在低电压情况下提取更多的能量。

但在近期，4.2和4.4V锂离子电池能提供多达30%的额外容量。“三洋已退出这场竞争。”凌特公司的Armstrong表示。

这种高电压电源可能不必使用升压转换，允许硬盘完全通过降压稳压器供电。Micrel公司对于驱动微型硬盘进行了大量考虑，并推出了两种解决方案。一个是一系列同步降压稳压器(MIC2202和MIC2205)，在轻电流负载时把自己从开关变成LDO。另一类正在开发之中，通过USB接口向基于HDD的产品供电。虽然USB把电流限制在500mA或更低水平，但USB控制器上的一个启动功能提供125毫秒的窗口，以开始启动运转中的硬盘(在电流限制介入之前)。然后可能通过USB接口满足40- 80mA的旋转周期。

“需要三到四分钟从闪存中读出一首歌。” iPod迷Bernie Weir证实，他是安森美半导体的工程经理。他认为，硬盘的脉冲特点以及3.3V的要求，可能必须使用降压－升压。安森美在这方面最新推出的产品是NCP1510A和NCP1511降压转换器，用于从3.3V电压的锂离子电池提供高达500mA的电流。

深入硬盘内部

飞兆半导体的IC策略主管Nazzareno Rossetti建议，关于驱动硬盘马达的很多知识，可以来自数码相机中驱动快门和自动对焦功能。飞兆半导体提供一系列具有双极晶体管的微型H桥驱动器。音乐播放器的设计人员可以类似地提出在硬盘内部驱动马达的有效机制——如果确实可以实现这种驱动机制。

“为微型硬盘供电的效率能有多高，在一定程度上取决于设计人员对于硬盘内部有多少了解。”意法半导体系统级芯片R&D部副总裁Dan Fisher表示。

Fisher一直寻找以对象为主导的软件，以帮助控制驱动器中的头－柱面互动，特别是头边界和道边界。对于MP3音乐播放机来说，需要在“愚钝”与“智能”存储之间进行折衷。Fisher表示，真正的消费者操作系统应该需要“愚钝式存储”，以更有力分别地控制头－柱面接口。

同样的ARM9器件，它在iPod中，以及SigmaTel的MP3系统芯片编解码器中被用作应用处理器，它也是在各种硬盘中执行寻找-播放功能的硬盘控制器(HDC)处理器。

“如果应用处理器与HDC彼此直接通讯，管理电源将更加容易。”ARM Consortium的美国本土营销主管Neil Robinson表示。“ATA接口需要大量管脚和消耗大量功率。”他认为，虽然把HDC控制功能转移到应用处理器使音乐播放器厂商具有更大的控制权，但并不是节省功率的方式。它简化了驱动器，但使应用处理任务复杂化。应该寻找其它方法。

但驱动器厂商不太可能接受这种方案，愚钝型硬盘提供更强的多功能性。