圖1：典型的鋰離子
電池的工作曲線。
具有大容量存儲功能的便攜式消費電子產品日益流行，如手機、視頻/音頻播放器和數碼相機等，這要求磁盤驅動器產業推出獨特的解決方案，以滿足快速發展的應用需求。成本更低、容量更高、電池使用壽命更長以及耐用性更好是磁盤驅動器設計工程師必須在1英寸甚至更小外形尺寸內實現的一部分特性。由于微型磁盤存儲方案能以更靈活的設計滿足這些新的市場需求，所以磁盤驅動器制造商轉而求助于芯片供應商，以獲得可進一步實現架構創新的解決方案。
低功耗架構
功耗對手持消費電子設備特別重要。制造商希望新的小尺寸(SFF)驅動器(1英寸和0.85英寸)能存儲更多音樂并實現更快的讀寫速度，以支持視頻回放和其它功能，而這對功耗提出了更高要求。
圖2A：MP3播放器的典型
電流消耗。
便攜式消費電子設備不斷朝更、存儲容量要求更大的應用發展，而手機理所當然成為此類設備的代表。集成了媒體播放器功能和其它功能的新型手機將其10%的功率預算用于存儲需要，基于不同的電池技術，存儲功能消耗的平均功率約為110mW。
鋰離子電池目前是手持終端應用的電源選擇。為達到長的工作時間，磁盤驅動器的工作電壓已降至2.7V，接近鋰離子電池工作曲線的轉折點(見圖1)。
圖2是傳輸音頻流文件時硬盤驅動器(HDD)的典型電流占空比情況。一般說來，如果沒有數據在傳輸，那么主機會使驅動器工作在低功耗狀態或斷電模式。如果需要傳輸數據，則驅動器轉動并以快速的 HDD傳輸速率將大量數據傳輸到主機緩存，然后再返回低功耗狀態，主機則將以較低的應用速率從緩存取出數據。這樣可使驅動器具有很低的電流占空比，從而獲得較低的平均功耗，延長電池使用壽命。不過，即便驅動器正在傳輸數據，它也會利用電源管理技術盡可能減少功耗。例如，在讀取磁盤扇區時，驅動器的功耗，但如果主機處于忙狀態，那么驅動器將進入較低的功耗模式。
圖2B：MP3播放器的典型電
流消耗。
緩存是被用來與主機速度進行匹配的器件。主機緩存的大小將決定功耗的大小，緩存越大意味著功耗越小(加快啟動/停止驅動器的周期)，從而降低平均功耗。在緩存大小、功耗和成本之間進行折衷，有助于主機制造商選擇既能滿足應用的功耗要求，同時又可降低成本的緩存。典型的音樂播放器的緩存大小在8至16MB之間，相應的價格壓力推動HDD制造商進一步降低功耗。
如圖3所示，磁盤驅動器的電子器件主要包括前置放大器(PA)IC、馬達控制器(MC)IC以及集成的SoC，其中SoC由讀取通道和硬盤控制器技術，以及必需的I/O和存儲器組成。對微型驅動器的功率預算作進一步分析(見圖4)可發現，存儲器件的功耗約占全部功耗的一半，其余功耗則是由機械和電機組件產生的(主要用于驅動器的啟動和停止)。SoC消耗了大部分功率，其主要功能是管理并傳輸驅動器磁片上的數據。需要注意的是，上述功率預算分析考慮了瞬時功率的影響，在典型的主機應用中對功耗進行平均，結果將比這要低。
由于存儲IC消耗大約50%的磁盤驅動器總功率，所以芯片供應商在改善系統級功率特性上具有很多重要機會，具體包括電壓調節方面的創新、驅動器分區、接口、電源管理方案以及半導體工藝技術等。
圖3：磁盤驅動器的電子器件。
1、電壓調節
典型的HDD需要兩種電壓電源：邏輯器件使用的數字核心電壓，以及馬達驅動器、模數轉換器(ADC)和接口使用的模擬電壓。模擬電壓過去只取自主機，并被調節為值。傳統上，核心電壓的產生則是利用馬達控制器IC內的線性調節器把來自主機的電壓調節為1.2V標稱值(見圖5)。如今的驅動器使用3.3V本地電源，并利用線性調節器將這個電源轉換為存儲IC所需的1.2V/200mA電源。在圖6所示的方框圖中，線性調節器需吸收200mA電流，而轉換效率僅為36%。
用開關調節器替代馬達控制器內的線性調節器來產生核心電壓，是實現SFF驅動器節能的一個重大改進。盡管這些器件仍是將電壓從3.3V轉換為1.2V，但它們僅吸收約為90mA的電流，轉換效率則高達80%。而通常由開關調節器產生的噪聲可利用具有成本效益的方法得到很好解決，以保持信號的完整性。用開關調節器(300mW)替代線性調節器(660mW)，總共可節省55％的功耗。此外，采用開關調節器還使數字核心電壓從1.2V降到1.0V，從而進一步降低功耗。
圖4A：磁盤驅動器的功
率預算示例。
電壓調節的另一個目標是降低模擬電壓。來自主機的電壓通常被控制為3.3V，不過通過將工作額定電壓降到2.5V，也可能減少功率消耗，但這需要采用較低的主機電壓或HDD板上調節來實現這一目標。如果采用HDD板上調節，由于調節器(即便是開關調節器)的效率損失，功耗降低將非常有限，這種方法只有在主機電源電壓較低的系統中才可行。
2、主機/驅動器的分區
另一種節省功耗的方法是對驅動器/主機進行有效分區，從而將功能從主機移到驅動器，或者從驅動器移到主機。隨著在媒體播放器和手機等便攜式設備中添加更多的多媒體功能，通過重新分區實現功能集成可降低總體功耗，同時還可增加手持設備中寶貴的可用空間。盡管當前許多設備都具有獨立的可移動驅動器，但采用嵌入式磁盤驅動器設計將對減少功耗、縮小尺寸以及降低成本非常有用。
圖7給出了這種集成策略的兩個極端例子。例1將額外的IP移到驅動器上，如無線功能(Wi-Fi/UWB)或視頻/音頻編解碼器等。功能完備的驅動器可方便地與簡單的顯示器和鍵盤相結合，以便進行手機或
圖4B：磁盤驅動器的功
率預算示例。
MP3播放器開發。例2將功能從驅動器上移開，這樣設計工程師便可將磁頭磁盤組件(HDA)、一系列基本的電子器件與其它應用一起，集成到設備主板上。
盡管這兩種情況都各有優缺點，但功能集成可消除冗余處理和電路開銷，并減小互連數量，從而降低便攜式設備的功耗。
3、接口技術
消費電子-技術附件(CE-ATA)和多媒體卡(MMC)等新型接口標準正處于開發階段。這些接口標準可減小器件尺寸并使用相同的物理接口，盡管它們采用不同協議，但都是通過降低接口電壓來減少總體功耗。目前CF接口的信號傳輸與驅動器均采用3.3V電壓，而CE-ATA/MMC接口技術則采用1.8V信令并將模擬電源分離，以進一步降低驅動器功耗。
4、電源管理
圖5：使用線性調節器的
傳統電壓調節方法。
電源管理能讓主機有效地管理磁盤驅動器的功耗。存儲SoC通常具有一個多態序列發生器，該發生器可使SoC通過固件控制實現自動電源管理功能。這些功能不僅可根據驅動器設置調節功耗水平，還能有選擇性地使電路無效、啟用/禁用所有功能塊的時鐘，并為時鐘禁用有問題的功能塊提供分隔。除此之外，電源管理技術還包括選擇正確的系統時鐘頻率以優化驅動器，這一般通過選擇適當的處理器時鐘速率來實現。所有這些功能都有助于實現整體功率效率化。
5、半導體工藝
工藝技術的選擇必須基于預期的驅動器運行傳輸速率。為實現低功耗的優化設計，芯片設計工程師專門選擇泄漏低、閾值高的工藝，以減小待機模式下的漏電流，同時還滿足所需的系統性能。用于手持應用的SFF驅動器的傳輸速率較低，因此可通過使用速率較低的器件來實現低功耗。
圖6：電壓調節方框圖。
此外，還可通過縮小工藝尺寸來減少運行功耗。工藝尺寸與功耗之間基本呈線性關系，但到65nm工藝時，工藝縮小對降低功耗的作用開始減少，此時漏電流成為功耗的主要原因。
可提高耐用性的架構
隨著高容量存儲產品在便攜式消費電子產品中日益流行，磁盤驅動器的主動保護變得至關重要。要提高這些設備的耐用性，就要求能可靠地檢測到“自由落體”運動，并確保驅動器磁頭在撞擊前停留在啟停區。但這并非易事，因為從一米高度自由落體到地面的時間還不到半秒。
從半導體層面上看，SFF驅動器要求馬達控制器芯片、存儲SoC(或讀取通道)、前置放大器以及用于檢測自由落體運動的傳感器能夠協同工作(見圖8)。微型驅動器目前使用沖擊傳感器或者加速計，并采用相關算法。
當設備發生墜落時，馬達控制器
圖7：主機和驅動器
的分區示意圖。
IC不僅接收來自傳感器的輸入信號，而且在使用沖擊傳感器的驅動器里，還對該模擬信號進行放大并將其轉成數字信號。然后，馬達控制器將此信號與參考信號進行對比，以確定它是否為“非正常”信號。由于消費者無法容忍多次誤報(導致不必要的關閉)或者漏報(導致無法在設備墜落前進行保護)，所以必須對信號進行仔細調節，以確保窗口比較器的讀數正確無誤。如果信號超出參考范圍，那么馬達控制器就向SoC 發出驅動器正在發生自由落體運動的警告信息。
SoC首先會檢查驅動器的狀態，看其是處于尋道操作狀還是閑置狀態。臺式 PC的磁盤驅動器在不進行讀寫時，其磁頭總是位于旋轉磁片的磁軌上，對微型驅動器而言，節約電池用電比提高數據傳輸速率更重要，因此微型驅動器在閑置狀態下會關閉主軸馬達并使磁頭臂組件(HSA)回位。如果驅動器正處于寫模式，則SoC將關閉前置放大器IC的寫入電流，與此同時馬達控制器關閉主軸馬達并使HAS回位。
圖8：驅動器發生自由落
體運動時的處理流程方框圖。
如何處理掉電對提高SFF驅動器的可靠性也同樣重要，因為突然掉電(如斷開電池連接)也很容易造成磁盤被刮。對掉電的處理過程與對自由落體運動的處理過程類似：馬達控制器感應到掉電并將HAS回位，SoC對電源故障進行確認，并以控制模式關閉驅動器其它電子器件的電源。盡管該過程對所有驅動器類型都是相似的，但較大的驅動器(2.5英寸與3.5英寸)可利用主軸馬達的反電動勢為磁頭回位提供所需能量。不過，SFF驅動器中的小磁片沒有足夠的旋轉質量來產生所需能量，因此必須使用額外的電容器。該電容器在驅動器工作時充電，在掉電時放電，以幫助完成磁頭回位。
本文小結
新型SFF驅動器的設計將越來越依賴于可有效進行通信以加快反應速度的芯片和固件。元件集成則是提高可靠性的另一重要途徑。由于消費類設備的便攜性本身會增加發生機械或電氣故障的機會，而額外的電容或電阻將導致驅動器發生故障的可能性呈指數級上升，所以新的驅動器設計可利用集成了分立元件的馬達控制器來提高可靠性，并降低總體成本。