【11.02】我家云硬盘供电的三个BUG（掉盘的主要元凶）

fli***

【关贴结论】我家云掉盘三大原因：
1. 供电部分有BUG（硬改可以解决）
2. 不支持硬盘休眠（修改内核启动参数，或是加入各种定时处理可以解决）
3. 不支持UAS协议（用软件方法可以解决，我自己的内核就没有编译uas驱动，因此不存在该问题）

没看到我的贴，或是不信任我的结论，那是你们的损失，不是我的损失，再见！



[11.02] 700g读写测试做完,共计1400g读写不掉盘，另外经过一整夜，硬盘没有休眠，读写文件秒成功，内核无任何报错

忘了说明：操作系统是Armbian 5.98， 内核是我自己编译的5.3.8, dtb文件也是自己改的。
重启后也不掉盘，16秒启动完成，附dmesg图:

dts文件也加入了各组电压，现在gpio生效了，1欧电阻可以拆掉了



[11.01] 正在做一些测试：
常规的读写，不掉盘， 休眠或睡眠后唤醒，会掉盘（如同楼下一位网友说的），所以只能禁用硬盘休眠了
禁用硬盘休眠的办法，从国外网站找到一种，适合armbian:
在/boot/armbianEnv.txt中，增加一行：

1. extraargs=usbcore.autosuspend=-1

复制代码

我也是刚查到这个，已经加进去了，需要时间验证。


我用的常规读写测试脚本：

1. #!/bin/bash
   
2. 
   
3. i=1
   
4. while [ $i -le 700 ];do
   
5.         echo "$i"
   
6.         dd if=/dev/zero of=test$i.dd bs=1M count=1024 oflag=direct,nonblock
   
7.         dd if=test$i.dd of=/dev/null bs=1M iflag=direct,nonblock
   
8.         i=$((i+1))
   
9. done
   
10. 
    
11. rm -rf test*.dd

复制代码

预计读写各700G，目前已经完成了读和写各135G, 一直正常，速度也很稳定。


先出结论吧,后面再说原因:
电路设计上的3个BUG造成了混乱的结果，电子开关到底是开还是关，根本说不准，APM4953有时会处于半导通状态，或是内阻较高的状态。造成输出端电压不稳，所以有的时候掉盘有的时候不掉盘

BUG1：原厂电路设计是两个反相器驱动PMOS，高电平有效，但PMOS是需要低电平有效的,本来不应该导通,但由于BUG2的存在,掩盖了BUG1
BUG2:  PMOS管APM4953的栅极漏电比较大，又采用了大阻值的g极电阻，因此即使驱动端是高电平，也能歪打正着的导通。
BUG3：第一级反相器并非工作在开关状态，而是处于线性放大状态，这也是造成供电不稳定的原因之一（放大了电源的纹波，直接影响第二级的反相器）
补充：如果有正确的dtb文件，可以由gpio导通第2只三极管，能改善APM4953的工作状态(掩盖BUG1和BUG2),但BUG3仍然存在.所以结论就是即使dtb的问题解决了也必须进行电路改造

解决方案有两种:
1. 去掉APM4953芯片，短接1脚与7、8脚， 短接3脚与5、6脚，这个方案最简单，缺点就是不太美观，而且开机时会对硬盘造成一定的冲击。
2. 改造电路

先看结果图：


对比原图：


两图区别：


PCB走线图示（给某些看不懂电路图的人参考）图中同一种颜色的线指向的焊点都是相连的


电路原理：
原电路（强行把智商提高到厂家设计师的水平才能勉强看懂）


图中R3上端的未知引脚应该是某个GPIO引脚，原设计可能是用这个引脚来导通Q2的(高电平有效)，但实测一直是低电平，接近0v，GPIO无效，是因为目前没有我家云专用的 dtb，用的是Rock64的dtb


下面分析原电路为何有问题：
1. 电路结构是PMOS电子开关，有一定的延时（具体延多少时间不知道，也懒得计算了）
2. PMOS电子开关是低电平有效，也就是G极电压低时开关导通，G极电压高时开关关闭
3. 原电路用了两个三极管，两级反相，结果相当于没反相，因此上电以后G极电压是高的(BUG1)， 按此电路来看，上电以后开关是永远不导通的，除非Q1的c极断开，并把Q2的b极(依靠GPIO引脚)拉高才能导通。
     问题来了：为何G极电压为高，开关仍然导通呢？
     实际测试：R5(100K)电阻上大约有6.5V的压降，导致vg对地电压大致在5.3V左右，因此vgs(12v)= 5.3 - 12 = -6.7v,可以导通，但另一路vgs(5V)只有0.xv, 为何也能导通感到很奇怪，但事实上两路都是导通的，只能归结为器件本身的特点吧。

     理论上学习过，MOS管输入阻抗是兆欧级别的,可视为无穷大，因此R5上不应该有压降才对（换了IRF9358后证实了此理论，换上9358后，R5压降为0， vgs(12v)为0, vgs(5V)为+7v, 开关不导通。因此说明APM4953本身G极有漏电，才歪打正着把开关给导通了！）这是BUG2，  APM4953的G极漏电电流大约是 6.5v /100k = 65uA
    这种BUG式的导通是有缺陷的，因为g极电压未拉低到0v，所以vgs不够大，即使导通了内阻也是比较大的。实际测试在硬盘读写过程中，5v电压一直有比较大的波动，我这台算是好的，即使波动也能保持在5v以上。
   

4. 原电路的R1(15K)，R2(1K),给Q1的b极分压，实测电压vbe大约是0.52v，未达到饱和导通条件（饱和导通时，vbe应该有0.65v左右），所以这又是一个BUG(BUG3)，这种设计一般是用在线性放大电路的，而开关电路要么开要么关，这种半开半关的是什么路数？
综上所述，电路设计上的3个BUG造成了混乱的结果，电子开关到底是开还是关，根本说不准，APM4953有时会处于半导通状态，或是内阻较高的状态。造成输出端电压不稳，所以有的时候掉盘有的时候不掉盘

改造后的电路：

改造原理：
1. 两级反相改成一级反相，简单明了
2. 去掉分压电阻R2(1K),让Q2能彻底导通
3. PMOS管换成IRF9358，性能优良

最后，关于电路图中的R3另一端的未知引脚，改造后由于是常通，所以用不到了，10K电阻保留没有副作用。

补充：原电路下，硬盘在读写过程中，5v电压是有波动的，波动幅度大约0.2v左右（2.5寸硬盘，没用到12v），改造之后，波动幅度0.02v左右

jigua***

为什么要换成irf9358

fli***

jiguangcarl 发表于 2019-10-31 22:38
为什么要换成irf9358

不换也可以，但irf9358的性能比apm4953高两倍，可以自己去查pdf.

li***

技术活，路过帮顶国。

nek***

能分析下原电路掉盘原因吗

our***

摩拜大师

xiaom***

我只记得大学模电考了59分！

Mr***

电路分析的很好，但是这只能解决硬盘电源问题，方案一的短接mos和飞线电源是一个效果，实测即使飞线5v和12v到硬盘，一样掉盘

fli***

Mrmay 发表于 2019-10-31 23:15
电路分析的很好，但是这只能解决硬盘电源问题，方案一的短接mos和飞线电源是一个效果，实测即使飞线5v和12v ...

那还有第二招，加电容，在12v和5v的mlcc电容上并联固态电容

ye***

改造后还会掉盘吗？

fli***

yehgl 发表于 2019-10-31 23:18
改造后还会掉盘吗？

还在测试中，暂时没掉，过几天可能有结果。

Mr***

flippy 发表于 2019-10-31 23:20
还在测试中，暂时没掉，过几天可能有结果。

hdparm -y休眠 然后唤醒多试几次指定扛不住，不知道你刷的什么系统，开硬盘休眠试试，过段时间sda会成sdb

cfa***

那个10K是接去gpio的，用来控制硬盘上电的，论坛上有个大佬分析出了那个gpio的状态，包括硬盘上电，红led，蓝led，风扇pwm。据说短接了硬盘mos还是会掉盘，掉盘的原因是USB > SATA的转接芯片在linux下驱动不完善导致的，去掉那个芯片换成通用性比较好的sata桥就能完美解决。强行短接mos后会导致我家云硬盘没法进入休眠状态，硬盘会一直转。  我家云硬盘电源设计是给低功耗3.5硬盘用的，你接2.5硬盘只用5V电流稍大，不知道会出问题。还是建议用低转速的3.5硬盘，电机驱动会用12V，两路均衡一下，减轻DC-DC负担。   不过看参数确实irf9358比apm4953好很多，手头上有现成9358确实可以换上硬盘电源状态应该会更好。   

fli***

Mrmay 发表于 2019-10-31 23:24
hdparm -y休眠 然后唤醒多试几次指定扛不住，不知道你刷的什么系统，开硬盘休眠试试，过段时间sda会成sdb

嗯，确实出现了你说的情况，应该是内核驱动的问题

fli***

cfanzp 发表于 2019-10-31 23:39
那个10K是接去gpio的，用来控制硬盘上电的，论坛上有个大佬分析出了那个gpio的状态，包括硬盘上电，红led， ...

短接后仍可以休眠