FRAM芯片擴(kuò)展耐力在低功耗應(yīng)用
動(dòng)翻譯，供參考
FRAM芯片擴(kuò)展耐力在低功耗應(yīng)用
雖然EEPROM和閃存通常都被用于非易失性存儲(chǔ)器(NVM)的最佳選擇，在大多數(shù)應(yīng)用中，鐵電RAM(FRAM)提供了許多低功耗設(shè)計(jì)在能量收集應(yīng)用，例如無線傳感器節(jié)點(diǎn)，智能電表明顯的優(yōu)勢(shì)，和其他數(shù)據(jù)記錄的設(shè)計(jì)。憑借其擴(kuò)展的寫周期耐力和數(shù)據(jù)保留時(shí)間，F(xiàn)RAM技術(shù)可幫助設(shè)計(jì)人員滿足使用的FRAM芯片和基于FRAM微控制器的制造商，包括Cypress半導(dǎo)體，富士通半導(dǎo)體制造商ROHM Semiconductor要求十年之久，低功耗的NVM操作和德州儀器。
常規(guī)NVMS，諸如閃存和EEPROM，在在浮動(dòng)?xùn)?，需要一個(gè)電荷泵，以提高電壓以需要通過柵極氧化物來強(qiáng)制載波的水平電荷載體的形式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。其結(jié)果，沿著與長寫延遲和高功率消耗固有這些設(shè)備中，它們的高電壓寫入操作最終可以穿出細(xì)胞 - 有時(shí)在少至萬個(gè)寫周期。
FRAM優(yōu)勢(shì)
與此相反，鐵電RAM(FRAM)存儲(chǔ)由鐵電材料鋯鈦酸鉛的偏振的裝置，或PZT(Pb(上ZrTi)O 3)，它被置于兩個(gè)電極類似的電容器的結(jié)構(gòu)之間的膜。與DRAM中，在FRAM中陣列的每一位被讀出和單獨(dú)寫入，但在DRAM的使用的晶體管和電容器來存儲(chǔ)比特，F(xiàn)RAM采用在晶體結(jié)構(gòu)中的偶極移引起的施加電場(chǎng)的相應(yīng)位跨電極(圖1)。因?yàn)樵撈袢匀皇侨サ綦妶?chǎng)之后，F(xiàn)RAM數(shù)據(jù)仍然存在無限期即使沒有可用功率 - 用于設(shè)計(jì)搭載不確定環(huán)境來源的重要能力。
富士通半導(dǎo)體FRAM細(xì)胞電場(chǎng)的圖像
圖1：在FRAM細(xì)胞，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為偏振引起的施加電場(chǎng)橫跨PZT膜的狀態(tài) - 一種方法，使擴(kuò)展的數(shù)據(jù)保留，并消除在浮柵技術(shù)中遇到的磨損。 (富士通半導(dǎo)體提供)
隨著使FRAM的非揮發(fā)性，利用晶體的偏振提供了許多優(yōu)于基于電荷的存儲(chǔ)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)(見表1)。因?yàn)樗苊饬烁偶夹g(shù)的潛在的降解效果，F(xiàn)RAM存儲(chǔ)器和其保存數(shù)據(jù)的功率損耗的面能力的壽命幾乎是無限的。例如，F(xiàn)RAM存儲(chǔ)器設(shè)備，如富士通半導(dǎo)體MB85R1001A和ROHM半導(dǎo)體MR48V256A所有指定10年的數(shù)據(jù)保持性能。
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FRAM |
EEPROM |
FLASH |
SRAM |
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Memory Type |
Non-volatile |
Non-volatile |
Non-volatile |
Volatile |
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Write Method |
Overwrite |
Erase + Write |
Erase + Write |
Overwrite |
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Write Cycle Time |
150 ns |
5 ms |
10 μs |
55 ns |
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Read/Write Cycles |
1013 |
106 |
105 |
Unlimited |
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Booster Circuit |
No |
Yes |
Yes |
No |
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Data Backup Battery |
No |
No |
No |
Yes |
表1：FRAM與其它存儲(chǔ)器技術(shù)比較。 (富士通半導(dǎo)體提供)
通過省去了在浮柵存儲(chǔ)器技術(shù)所需電荷泵，F(xiàn)RAM可以在3.3V或更低的典型電源范圍內(nèi)工作。此外，與存儲(chǔ)電荷的存儲(chǔ)器設(shè)備，F(xiàn)RAM裝置具有耐α粒子和通常表現(xiàn)出軟錯(cuò)誤率(SER)檢測(cè)極限以下。
設(shè)計(jì)的影響
的FRAM的優(yōu)勢(shì)的影響漣漪通過的系統(tǒng)，例如無線傳感器節(jié)點(diǎn)，需要高速寫入和低功耗工作的組合的設(shè)計(jì)。例如，對(duì)于它的高速率，設(shè)計(jì)者可以使用一個(gè)單一的FRAM裝置，其中，他們可能需要并聯(lián)布置以達(dá)到可接受的數(shù)據(jù)寫吞吐率多個(gè)EEPROM器件。在這些設(shè)計(jì)中的EEPROM，而一個(gè)EEPROM器件正在完成其寫周期時(shí)，控制器將啟動(dòng)一個(gè)寫操作的下一個(gè)EEPROM器件上的順序，等等。使用FRAM，但是，所有的寫操作發(fā)生在一個(gè)隨機(jī)存取的基礎(chǔ)總線速度，沒有基于內(nèi)存的延遲或其他寫放緩。其結(jié)果是，F(xiàn)RAM存儲(chǔ)器典型地實(shí)現(xiàn)在相當(dāng)?shù)偷哪芰啃枨箫@著更快的寫入比閃存。
設(shè)計(jì)人員還可以不再需要必須確保數(shù)據(jù)的完整性電源的備份策略。用一個(gè)EEPROM系統(tǒng)中，存儲(chǔ)器控制器必須完成一個(gè)完整的寫周期被檢測(cè)到電源故障時(shí)所需要的數(shù)據(jù)塊大小 - 需要額外的能量儲(chǔ)存，以確保在基于EEPROM的設(shè)計(jì)寫周期完成。憑借其快速的循環(huán)時(shí)間，F(xiàn)RAM能夠即使在突然停電，完成寫作過程中，從而保證了數(shù)據(jù)的完整性，無需復(fù)雜的電源備份方法。
在應(yīng)用層面，F(xiàn)RAM的快速寫入速度和低功耗操作也能連續(xù)測(cè)量能量采集應(yīng)用，如無線傳感器或電能表。在給定的功率預(yù)算，F(xiàn)RAM設(shè)備將能夠完成更多的讀/寫循環(huán)的一個(gè)更精細(xì)的粒度比可能與其他NVM技術(shù)。
FRAM還介紹了開發(fā)人員提供一個(gè)統(tǒng)一內(nèi)存架構(gòu)，使代碼和數(shù)據(jù)靈活的分區(qū)，并允許一個(gè)更簡(jiǎn)單的，更小的單芯片的內(nèi)存解決方案。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以很容易地防止使用簡(jiǎn)單的寫保護(hù)電路，以提供基于FRAM的設(shè)計(jì)(圖2，HC151多路復(fù)用器)可編程塊寫保護(hù)功能意外寫入存儲(chǔ)在FRAM的代碼。
賽普拉斯半導(dǎo)體HC151低功耗的多路圖像
圖2：設(shè)計(jì)師可以采用低功耗的多路復(fù)用器，如實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的地址相關(guān)的寫的HC151支持能力來保護(hù)存儲(chǔ)在FRAM器件代碼。 (Cypress半導(dǎo)體公司提供)
設(shè)備配置
設(shè)計(jì)人員可以找到FRAM存儲(chǔ)器支持并行，SPI串行或I2C / 2線串行接口。例如，連同其平行的1Mb MB85R1001A FRAM，富士通提供1MB的SPI串行器，MB85RS1MT，使設(shè)計(jì)人員能夠采用典型的SPI主/從配置(圖3)設(shè)備的任意數(shù)字。除了在較低的電源電壓比他們的同行并行操作，串行FRAM器件還提供了適用于空間受限的設(shè)計(jì)更小的封裝選項(xiàng)。例如，ROHM半導(dǎo)體32K SPI串行MR45V032A是在8引腳塑料小外形封裝(SOP)只有0.154測(cè)量“和3.90毫米寬度可用。
富士通MB85RS1MT的圖像
圖3：設(shè)備，如富士通MB85RS1MT允許使用熟悉的主/從配置為SPI-配備的MCU - 或使用使用設(shè)備的SI和SO端口，用于非基于SPI的設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)單的總線連接解決方案。 (富士通半導(dǎo)體提供)
FRAM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)擴(kuò)展到微控制器，如德州儀器MSP430FR MCU系列具有片上FRAM。在微控制器，F(xiàn)RAM的高速運(yùn)行速度整體處理，允許寫入非易失性存儲(chǔ)器進(jìn)行全速而不是強(qiáng)迫MCU進(jìn)入等待狀態(tài)或阻塞中斷。 TI的FRAM微控制器系列的延伸，如MSP430FR5739其全功能MSP430FR5969系列設(shè)備。最小的設(shè)備在MSP430系列中，MSP430FR5739是一個(gè)24引腳2×2芯片尺寸的球柵陣列(DSBGA)可用，但包括5個(gè)定時(shí)器，一個(gè)12通道10位ADC，以及直接存儲(chǔ)器存取(DMA)用于最小化在主動(dòng)模式下的時(shí)間。
TI的MSP430FR5969是該公司低功耗MCU具有實(shí)質(zhì)性芯片F(xiàn)RAM存儲(chǔ)(圖4)。在主動(dòng)模式下，MCU僅需要為100μA/ MHz有源模式電流和450 nA的待機(jī)模電流與實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)啟用。在這一系列的設(shè)備包括一個(gè)全面的外設(shè)和一個(gè)16通道12位模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)，其能夠單層或差分輸入操作。這些MCU還配備了256位高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(AES)加速器和知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)封裝模塊，用于保護(hù)關(guān)鍵數(shù)據(jù)。
德州儀器MSP430FR5969 MCU的圖像(點(diǎn)擊查看全尺寸)
圖4：德州儀器MSP430FR5969 MCU結(jié)合周邊的全套帶有片上FRAM存儲(chǔ)器，而只需要100μA/ MHz有源模式電流和顯著少帶了多個(gè)低功耗模式(LPM)。
結(jié)論
FRAM器件提供非易失性存儲(chǔ)，用10年的數(shù)據(jù)保存時(shí)間，在與熟悉的閃存和EEPROM替代所需的功率的一小部分。利用現(xiàn)有的基于FRAM存儲(chǔ)器和MCU器件，工程師們可以放心地在他們盡管間歇性的斷電操作多年，并長期保持?jǐn)?shù)據(jù)的能力建立這些強(qiáng)大的設(shè)備進(jìn)入低功耗能量收集應(yīng)用程序。
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