一种NAND Flash芯片掉电保护电路及保护方法

技术领域

本发明属于数据存储技术领域，涉及一种NAND Flash芯片掉电保护电路及保护方法。

背景技术

计算机的发展始终伴随着存储技术的不断更新，存储技术扮演着越来越重要的角色，逐渐成为制约计算机整体性能的瓶颈。特别是当今大数据、云存储兴起的时代，系统对存储器的性能要求越来越高。NAND Flash作为存储器中性能卓越的佼佼者，具备生产制造成本低、可存储容量大、存储介质抗震抗磁、读写速度快并且数据非易失等优点。

通常，会由多个NAND Flash芯片与NAND Flash控制器组成SSD固态硬盘作为数据存储的介质。但是，在系统级应用时，会有几率出现电源不稳定甚至是电源断电的情况。当NAND Flash芯片处于编程操作时掉电，掉电前已编程的数据是正确的，尚未编程的数据就无法保证，可能仍处于“1”状态；当NAND Flash芯片处于擦除操作时掉电，不能保证擦除完全，即有可能遗留一些单元仍处于“0”状态。这些都会导致NAND Flash芯片重新上电之后，芯片读取出错。所以必须要有掉电保护机制来保护数据。

当前，业界主要是在板级系统上加入大电容，在电源掉电之后作为电源继续供电，使NAND Flash芯片正常工作一段时间，但是NAND Flash控制器或者是按原有的命令顺序继续操作NAND Flash芯片进行数据编程/擦除/读取操作，或者是对需要操作的相应的数据块进行标记，在NAND Flash芯片重新上电之后再次进行操作，这两种方法都不太灵活，甚至可能还是会导致数据出错。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种NAND Flash芯片掉电保护电路及保护方法，保证系统电源不稳定或者断电情况下，NAND Flash芯片能正常完成操作。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

本发明提供一种NAND Flash芯片掉电保护电路，所述掉电保护电路用于连接系统电源和NAND Flash芯片的DC-DC转换器，以及连接NAND Flash芯片控制器；所述掉电保护电路包括：

储能电源，用于作为备用电源，在所述系统电源不稳定或断电情况下为所述NANDFlash芯片进行供电；

开关控制电路，用于所述系统电源、储能电源及所述NAND Flash芯片之间的通路控制，切换电源为所述NAND Flash芯片进行供电；

系统电源电压检测电路，与所述系统电源连接，用于监控所述系统电源的电压值，并比较所述系统电源的输出电压是否小于预设的阈值电压；

储能电源电压检测电路，与所述储能电源连接，用于监控所述储能电源的电压值，并比较所述储能电源的输出电压是否小于预设的阈值电压。

进一步地，所述开关控制电路包括第一开关控制单元和第二开关控制单元：

所述第一开关控制单元用于连接所述系统电源对所述NAND Flash芯片的供电通路，并在所述储能电源需要充电时提供供电通路；

所述第二开关控制单元用于连接所述系统电源对所述NAND Flash芯片的供电通路，并在所述储能电源需要充电时断开供电通路；

所述第一开关控制单元和所述第二开关控制单元同时闭合时由所述系统电源对所述NAND Flash芯片进行供电，所述第一开关控制单元断开、第二开关控制单元闭合时由所述储能电源对所述NAND Flash芯片进行供电，所述第一开关控制单元闭合、第二开关控制单元断开时由所述系统电源对所述储能电源进行充电。

进一步地，所述NAND Flash芯片控制器包括Cap_FALL端口和Power_FALL端口；

所述Cap_FALL端口连接于所述储能电源电压检测电路，用于在所述储能电源的电压值下降至预设的阈值电压后输出脉冲信号，并通知所述NAND Flash芯片控制器此时储能电源电量不足；

所述Power_FALL端口连接于所述系统电源电压检测电路，用于在所述电源电压低于预设的阈值电压时输出脉冲信号，通知所述NAND Flash芯片控制器系统电源电压处于不稳定状态及有意外断电风险。

进一步地，所述系统电源电压检测电路和所述储能电源电压检测电路均为电源管理芯片，所述储能电源为超级电容。

本发明提供一种基于上述NAND Flash芯片掉电保护电路的NAND Flash芯片掉电保护方法，其特征在于，所述掉电保护方法包括：

使开关控制电路处于闭合状态，系统电源电压检测电路检测系统电源的掉电事件，并在检测到系统电源的掉电事件后，切断所述NAND Flash芯片的DC-DC转换器与所述系统电源的供电通路；

在断开所述DC-DC转换器与所述外部电源的供电通路之后，通过所述储能电源为所述NAND Flash芯片供电，并通过所述储能电源电压检测电路监测所述储能电源的电压值，在所述储能电源的电压值下降至预设的阈值电压后通知所述NAND Flash控制器储能电源的电量不足；

所述NAND Flash控制器在接收所述储能电源电量不足信息后，对仍未执行命令的区块进行标志，在系统恢复供电后再重新执行命令。

进一步地，所述系统电源电压检测电路检测系统电源的掉电事件，并在检测到系统电源的掉电事件后，切断所述NAND Flash芯片的DC-DC转换器与所述系统电源的供电通路包括：

预设系统电源阈值电压；

所述系统电源电压检测电路检测所述系统电源的电压值，当检测到所述系统电源的电压低于所述阈值电压时，所述Power_FALL端口输出脉冲信号；

NAND Flash控制器检测到所述脉冲信号后，断开所述第一开关控制单元，采用所述储能电源继续为NAND Flash芯片供电。

进一步地，所述系统电源电压检测电路检测系统电源的掉电事件，并在检测到系统电源的掉电事件后还包括：

所述NAND Flash控制器评估待执行命令所需要的命令执行时间，并与所述储能电源的预计供电时间进行对比，所述待执行命令包括编程、擦除、读取命令；

在所需供电时间小于所述储能电源的预计供电时间时，按顺序执行所有待执行命令；

在所需供电时间大于所述储能电源的预计供电时间时，按优先级别执行命令。

进一步地，所述优先级别执行命令的优先顺序为编程命令＞读取命令＞擦除命令。

进一步地，所述掉电保护方法还包括：

系统定期检查储能电源的电量，并在所述储能电源电量不足的情况下通过系统进行充电，并通过所述NAND Flash控制器记录储能电源的电量及其能正常供电的时间。

进一步地，所述掉电保护电路通过闭合所述第一开关控制单元、断开所述第二开关控制单元，经由所述系统电源为所述储能电源进行充电。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)采用软硬件相结合的方式来实现掉电保护，最大程度地确保数据的完整性。

(2)采用包含储能电源的掉电保护电路，在系统掉电之后继续为NAND Flash芯片供电。

(3)定期监控储能电源的电量，防止因电容老化导致系统对电容供电时间产生误判。

(4)将耗时最长的擦除指令置于最低优先级，确保有足够的时间给予编程操作，确保数据的完整性。

附图说明

下面结合附图详述本发明的具体结构

图1为本发明系统电源供电电路示意图；

图2为本发明储能电源充电电路示意图；

图3为本发明储能电源供电电路示意图；

图4为本发明芯片掉电保护方法流程示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

实施例1

参阅图1-图3，本发明提供一种NAND Flash芯片掉电保护电路，所述掉电保护电路连接系统电源和NAND Flash芯片的DC-DC转换器，以及连接NAND Flash芯片控制器；所述掉电保护电路包括：

储能电源，作为备用电源，在所述系统电源不稳定或断电情况下为所述NANDFlash芯片进行供电；

开关控制电路，用于所述系统电源、储能电源及所述NAND Flash芯片之间的通路控制，切换电源为所述NAND Flash芯片进行供电；

系统电源电压检测电路，与所述系统电源连接，用于监控所述系统电源的电压值，并比较所述系统电源的输出电压是否小于预设的阈值电压；

储能电源电压检测电路，与所述储能电源连接，用于监控所述储能电源的电压值，并比较所述储能电源的输出电压是否小于预设的阈值电压。

所述开关控制电路包括第一开关控制单元S1和第二开关控制单元S2，在正常工作情况下，第一开关控制单元S1和第二控制单元S2均处于闭合状态，由系统电源直接给NANDFlash芯片进行供电，在出现掉电事件后，第一开关控制单元断开、第二开关控制单元闭合，由所述储能电源对所述NAND Flash芯片进行供电。

需要说明的是，所述NAND Flash芯片控制器包括Cap_FALL端口和Power_FALL端口，其中：

Cap_FALL端口，连接于所述储能电源电压检测电路，用于在所述储能电源的电压值下降至预设的阈值电压后输出脉冲信号，通知所述NAND Flash芯片控制器此时储能电源电量不足。

Power_FALL端口，连接于所述系统电源电压检测电路，用于在所述电源电压低于预设的阈值电压时输出脉冲信号，通知所述NAND Flash芯片控制器电源电压处于不稳定状态及有意外断电风险。

具体的掉电监测过程为：系统电源电压检测电路为电源管理芯片，监控系统电源的电压值，当检测到系统电源的电压低于预设的阈值电压Va时，则证明系统此时为电源不稳定状态甚至有意外断电风险，Power_FALL端口输出脉冲信号，NAND Flash控制器检测到Power_FALL端口为脉冲信号后，断开第一开关控制单元S1，采用储能电源为NAND Flash继续供电，在本实施例中，储能电源为超级电容Cap。

其储能电源电压检测电路也为电源管理芯片，监控超级电容Cap的电压值，当超级电容的电压值下降至预设的阈值电压Vb后，Cap_FALL输出脉冲信号，通知NAND Flash控制器此时超级电容Cap的电量不足。

通常，SSD固态硬盘的使用年限可以达到数年甚至数十年，而电容属于损耗型的产品，随着时间推移，电容的电量会变小。为了防止系统对当前超级电容Cap的电量产生误判，导致系统断电时NAND Flash控制器对命令的控制出现偏差，本发明增加了电容电量检测机制，以检测超级电容Cap的电量。

系统通过储能电源电压检测电路会定期检测超级电容Cap的电量，在超级电容Cap电量不足时，闭合开关S1，断开开关S2，通过系统电源为超级电容Cap充电，如图2所示。在系统出现掉电事件后，断开开关S1，闭合开关S2，通过超级电容为NAND Flash芯片供电，当检测电源电压检测电路到电容电量不足时，Cap_FALL发出脉冲信号，通知所述NAND Flash芯片控制器此时储能电源电量不足。

本发明提供的掉电保护电路中采用电容作为储能元件，但由于电容电量大小受到电容大小限制，电容大小又受到系统板的限制，所以导致电容电量有限，只能持续供电一段时间。因此，当系统电源掉电转而采用超级电容供电后，仅能处理一部分命令。本发明增加了命令执行优化机制，使得系统能在有限的时间内保证数据的完整性。

当系统电源掉电，NAND Flash控制器接收到Power_FALL的脉冲信号后，NANDFlash控制器首先会评估所有待执行命令，比如编程、擦除、读取命令所需要的命令执行时间，并与超级电容Cap的预计供电时间进行对比，若小于超级电容Cap的预计供电时间，则按顺序执行所有待执行命令；若大于超级电容Cap的预计供电时间，则按编程>读取>擦除优先级别执行命令。

NAND Flash控制器首先执行编程操作，将数据写入相应的单元，其次是进行读操作，最后是擦除指令。由于在编程、擦除、读取命令中，擦除操作相比于编程以及读取操作会耗费更长的时间，因此，擦除操作的优先级别最低，确保有足够的时间进行编程操作，确保数据的完整性。

当NAND Flash控制器接收到Cap_FALL的脉冲信号后，就意味着超级电容Cap的容量已经不足，此时，会对仍未执行命令的区块进行标志，系统上电后再重新执行命令。

实施例2

本发明还提供一种基于上述的NAND Flash芯片掉电保护电路的NAND Flash芯片掉电保护方法，参阅图4所示，包括：

S10、开关控制电路处于闭合状态，系统电源电压检测电路检测系统电源的掉电事件，并在检测到系统电源的掉电事件后，切断所述NAND Flash芯片的DC-DC转换器与所述系统电源的供电通路。

S20、在断开所述DC-DC转换器与所述外部电源的供电通路之后，通过所述储能电源为所述NAND Flash芯片供电，并通过所述储能电源电压检测电路监测所述储能电源的电压值，在所述储能电源的电压值下降至预设的阈值电压后通知所述NAND Flash控制器所述储能电源的电量不足。

S30、所述NAND Flash控制器在接收所述储能电源电量不足信息后，对仍未执行命令的区块进行标志，并在系统恢复供电后再重新执行命令。

其中，步骤S10、系统电源电压检测电路检测系统电源的掉电事件，并在检测到系统电源的掉电事件后，切断所述NAND Flash芯片的DC-DC转换器与所述系统电源的供电通路包括：

预设系统电源阈值电压；系统电源电压检测电路检测系统电源的电压值，当检测到系统电源的电压低于所述阈值电压时，所述Power_FALL端口输出脉冲信号；NAND Flash控制器检测到所述脉冲信号后，断开所述第一开关控制单元，采用所述储能电源继续为NAND Flash芯片供电。

其中，在系统电源电压检测电路检测系统电源的掉电事件后所述NAND Flash控制器评估待执行命令所需要的命令执行时间，并与所述储能电源的预计供电时间进行对比，所述待执行命令包括编程、擦除、读取命令；在所需供电时间小于所述储能电源的预计供电时间时，按顺序执行所有待执行命令；在所需供电时间大于所述储能电源的预计供电时间时，按优先级别执行命令，其优先级别执行命令的优先顺序为编程命令＞读取命令＞擦除命令。

进一步地，本发明提出的掉电保护方法还包括：

系统会通过储能电源电压检测电路定期检查储能电源的电量，并通过NAND Flash控制器记录储能电源的电量及其能正常供电的时间；在超级电容电量不足的情况下，通过闭合第一开关控制单元、断开第二控制单元，经由所述系统电源为所述储能电源进行充电。

从上述描述可知，本发明的有益效果在于：

(1)采用软硬件相结合的方式来实现掉电保护，最大程度地确保数据的完整性。

(2)采用包含储能电源的掉电保护电路，在系统掉电之后继续为NAND Flash芯片供电。

(3)定期监控储能电源的电量，防止因电容老化导致系统对电容供电时间产生误判。

(4)将耗时最长的擦除指令置于最低优先级，确保有足够的时间给予编程操作，确保数据的完整性；此处第一、第二……只代表其名称的区分，不代表它们的重要程度和位置有什么不同。

此处，上、下、左、右、前、后只代表其相对位置而不表示其绝对位置。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。