快充已成手機標配,固態硬盤裡居然也有一個高壓'快充'

快速充電已經成為當今手機的標配功能,半小時充電50%以上可以讓大家在準備出門前給手機快速補充能量。

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QC和PD快充走的都是通過高電壓實現更高輸電功率的目的,降低電流減少傳輸過程中的損耗。

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固態硬盤本身沒有電池,但它使用的閃存在寫入數據時的原理也類似於充電。下圖是東芝TR200 SATA固態硬盤,使用+5V工作電壓。

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普通的電容器不能長期保存電能,閃存使用了FG浮柵或CG電荷捕獲結構來存儲電子。下方的隧道氧化層可以防止電子從中逃逸,但當電子需要通過它進入FG或CG時,就必須要有一個較高的電壓(如20V)來幫助實現量子隧穿效應。

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同樣,在需要將FG或CG裡的電子排除出去(閃存擦除)的時候,也需要在另外一個方向上施加較高電壓(如20V),幫助電子量子隧穿通過氧化層。

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固態硬盤的工作電壓通常是5V(SATA)或3.3V(M.2),雖然2.5寸固態硬盤可以從SATA接口獲得+12V供電,但出於兼容性的考慮(很多筆記本電腦不為硬盤提供12V供電),絕大多數固態硬盤只使用+5V一種電壓供電。

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實際上5V電壓也不會直接進入閃存顆粒,而是首先在PCB板上轉換為3.3V後再提供給閃存使用。寫入/擦除所需的20V電壓在閃存內由3.3V升壓轉換得到。電荷泵原理是用電容器作為儲能元件,產生比輸入電壓更高的輸出電壓。關於它的原理網上有很多介紹:

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當然還有另外一種更為高效的方式,即通過Vpp針腳直接為閃存提供12V高電壓。雖然在沒有它的情況下閃存也能工作(由3.3V升壓),但Vpp的存在可以提高電源效率。下圖紅圈內是Vpp在東芝132-BGA中的位置。

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除了提高電壓,有些地方閃存還需要儘可能降低電壓來提高能源效率,比如Toggle閃存接口工作電壓。

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在BiCS4架構中東芝首次應用了Toggle 3.0接口,將接口速率提升至800MT/s的同時,VccQ電壓可降低至1.2V,從而同時實現提速與降能耗的目的。

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