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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)計在能量收集應(yīng)用，例如無線傳感器節(jié)點，智能電表明顯的優(yōu)勢，和其他數(shù)據(jù)記錄的設(shè)計。憑借其擴(kuò)展的寫周期耐力和數(shù)據(jù)保留時間，F(xiàn)RAM技術(shù)可幫助設(shè)計人員滿足使用的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?xùn)?，需要一個電荷泵，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 - 有時在少至萬個寫周期。

FRAM優(yōu)勢

與此相反，鐵電RAM(FRAM)存儲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的相應(yīng)位跨電極(圖1)。因為該偏振仍然是去掉電場之后，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)胞電場的圖像

圖1：在FRAM細(xì)胞，數(shù)據(jù)存儲為偏振引起的施加電場橫跨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)于基于電荷的存儲技術(shù)的優(yōu)點(見表1)。因為它避免了浮柵技術(shù)的潛在的降解效果，F(xiàn)RAM存儲器和其保存數(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。

表1：FRAM與其它存儲器技術(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，與存儲電荷的存儲器設(shè)備，F(xiàn)RAM裝置具有耐α粒子和通常表現(xiàn)出軟錯誤率(SER)檢測極限以下。

設(shè)計的影響

的FRAM的優(yōu)勢的影響漣漪通過的系統(tǒng)，例如無線傳感器節(jié)點，需要高速寫入和低功耗工作的組合的設(shè)計。例如，對于它的高速率，設(shè)計者可以使用一個單一的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EEPROM器件。在這些設(shè)計中的EEPROM，而一個EEPROM器件正在完成其寫周期時，控制器將啟動一個寫操作的下一個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存儲器典型地實現(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EEPROM系統(tǒng)中，存儲器控制器必須完成一個完整的寫周期被檢測到電源故障時所需要的數(shù)據(jù)塊大小 - 需要額外的能量儲存，以確保在基于EEPROM的設(shè)計寫周期完成。憑借其快速的循環(huán)時間，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)，并允許一個更簡單的，更小的單芯片的內(nèi)存解決方案。同時，設(shè)計人員可以很容易地防止使用簡單的寫保護(hù)電路，以提供基于FRAM的設(shè)計(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)計師可以采用低功耗的多路復(fù)用器，如實現(xiàn)一個簡單的地址相關(guān)的寫的HC151支持能力來保護(hù)存儲在FRAM器件代碼。 (Cypress半導(dǎo)體公司提供)

設(shè)備配置

設(shè)計人員可以找到FRAM存儲器支持并行，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)計更小的封裝選項。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，簡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24引腳2×2芯片尺寸的球柵陣列(DSBGA)可用，但包括5個定時器，一個12通道10位ADC，以及直接存儲器存取(DMA)用于最小化在主動模式下的時間。

TI的MSP430FR5969是該公司低功耗MCU具有實質(zhì)性芯片F(xiàn)RAM存儲(圖4)。在主動模式下，MCU僅需要為100μA/ MHz有源模式電流和450 nA的待機(jī)模電流與實時時鐘(RTC)啟用。在這一系列的設(shè)備包括一個全面的外設(shè)和一個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位高級加密標(biāo)準(zhǔn)(AES)加速器和知識產(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存儲器，而只需要100μA/ MHz有源模式電流和顯著少帶了多個低功耗模式(LPM)。

結(jié)論

FRAM器件提供非易失性存儲，用10年的數(shù)據(jù)保存時間，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。