基于FRAM的存儲(chǔ)器和MCU器件構(gòu)建低功耗能量采集應(yīng)用

雖然EEPROM和閃存通常是大多數(shù)應(yīng)用中非易失性存儲(chǔ)器(NVM)的首選，但鐵電RAM(FRAM)為能量收集應(yīng)用中的許多低功耗設(shè)計(jì)(如無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn))提供了明顯的優(yōu)勢(shì)。智能電表和其他數(shù)據(jù)記錄設(shè)計(jì)。憑借其延長(zhǎng)的寫(xiě)周期耐久性和數(shù)據(jù)保留時(shí)間，F(xiàn)RAM技術(shù)可幫助設(shè)計(jì)人員滿足使用可用FRAM IC和基于FRAM的MCU的十年，低功耗NVM操作的要求，這些MCU來(lái)自賽普拉斯半導(dǎo)體，富士通半導(dǎo)體，ROHM Semiconductor等制造商和德州儀器。

傳統(tǒng)的NVM，如閃存和EEPROM，以浮動(dòng)?xùn)艠O中的電荷載流子的形式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，需要電荷泵將電壓提升到迫使載流子通過(guò)柵極氧化物所需的電壓。因此，隨著這些器件固有的長(zhǎng)寫(xiě)延遲和高功耗，它們的高壓寫(xiě)操作最終會(huì)耗盡單元 - 有時(shí)只需10,000個(gè)寫(xiě)周期。

FRAM優(yōu)勢(shì)

相比之下，鐵電RAM(FRAM)通過(guò)鐵電材料鋯鈦酸鉛或PZT(Pb(ZrTi)O3)的極化來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，在兩個(gè)電極之間放置薄膜，類似于電容器的結(jié)構(gòu)。與DRAM一樣，F(xiàn)RAM陣列中的每個(gè)位都是單獨(dú)讀取和寫(xiě)入的，但是當(dāng)DRAM使用晶體管和電容來(lái)存儲(chǔ)該位時(shí)，F(xiàn)RAM在晶體結(jié)構(gòu)中使用偶極移位，用于施加電場(chǎng)引起的相應(yīng)位穿過(guò)電極(圖1)。由于在去除電場(chǎng)后這種極化仍然存在，即使沒(méi)有可用功率，F(xiàn)RAM數(shù)據(jù)也會(huì)無(wú)限期地持續(xù)存在 - 這是由不確定的環(huán)境源驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)的重要能力。

圖1：在FRAM單元中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為在PZT薄膜上施加電場(chǎng)引起的極化狀態(tài) - 一種方法這樣可以實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的數(shù)據(jù)保留，并消除浮柵技術(shù)中的磨損。 (由富士通半導(dǎo)體公司提供)

除了實(shí)現(xiàn)FRAM的非易失性外，晶體極化的使用與基于電荷存儲(chǔ)的技術(shù)相比具有許多優(yōu)勢(shì)(見(jiàn)表1)。因?yàn)樗苊饬烁偶夹g(shù)的潛在降級(jí)效應(yīng)，所以FRAM存儲(chǔ)器的壽命及其在功率損耗面前保留數(shù)據(jù)的能力實(shí)際上是無(wú)限的。例如，富士通半導(dǎo)體MB85R1001A和ROHM半導(dǎo)體MR48V256A等FRAM存儲(chǔ)器件均具有10年的數(shù)據(jù)保持性能。

FRAM EEPROM FLASH SRAM存儲(chǔ)器類型非易失性非易失性非易失性易失性寫(xiě)入方法覆蓋擦除+寫(xiě)入擦除+寫(xiě)入覆蓋寫(xiě)入周期時(shí)間150 ns 5 ms10μs55ns讀取/寫(xiě)入周期10 13 10 6 10 5 無(wú)限制助推器電路否是是否數(shù)據(jù)備份電池否否否是

表1：FRAM與其他存儲(chǔ)器技術(shù)的比較。 (由Fujitsu Semiconductor提供)

通過(guò)消除對(duì)浮柵存儲(chǔ)器技術(shù)所需的電荷泵的需求，F(xiàn)RAM可以在3.3 V或更低的典型電源范圍內(nèi)工作。此外，與存儲(chǔ)電荷存儲(chǔ)器設(shè)備不同，F(xiàn)RAM器件耐α粒子并且通常表現(xiàn)出低于可檢測(cè)極限的軟錯(cuò)誤率(SER)。

設(shè)計(jì)影響

FRAM優(yōu)勢(shì)的影響源于需要高速寫(xiě)入和低功耗操作相結(jié)合的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，例如無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)。例如，由于其高速率，設(shè)計(jì)人員可以使用單個(gè)FRAM器件，他們可能需要并聯(lián)排列多個(gè)EEPROM器件以實(shí)現(xiàn)可接受的數(shù)據(jù)寫(xiě)入吞吐率。在那些EEPROM設(shè)計(jì)中，當(dāng)一個(gè)EEPROM器件完成其寫(xiě)周期時(shí)，控制器將依次啟動(dòng)對(duì)下一個(gè)EEPROM器件的寫(xiě)操作，依此類推。但是，對(duì)于FRAM，所有寫(xiě)操作都是以隨機(jī)訪問(wèn)的速度在總線速度下進(jìn)行的，沒(méi)有基于內(nèi)存的延遲或其他寫(xiě)入減速。因此，F(xiàn)RAM內(nèi)存通?？梢栽诿黠@更低的能量要求下實(shí)現(xiàn)比Flash快得多的寫(xiě)入。

設(shè)計(jì)人員還可以消除對(duì)確保數(shù)據(jù)完整性所需的電源備份策略的需求。對(duì)于EEPROM系統(tǒng)，當(dāng)檢測(cè)到電源故障時(shí)，存儲(chǔ)器控制器必須完成所需數(shù)據(jù)塊大小的完整寫(xiě)入周期 - 需要額外的能量存儲(chǔ)以確保基于EEPROM的設(shè)計(jì)中的寫(xiě)周期完成。憑借其快速的周期時(shí)間，F(xiàn)RAM即使在突然斷電時(shí)也能夠完成寫(xiě)入過(guò)程，從而確保數(shù)據(jù)完整性，而無(wú)需復(fù)雜的電源備份方法。

在應(yīng)用層面，F(xiàn)RAM的快速寫(xiě)作速度和低功率運(yùn)行還可以在能量采集應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量，例如無(wú)線傳感器或電表。在給定的功率預(yù)算下，F(xiàn)RAM器件將能夠以比其他NVM技術(shù)更精細(xì)的粒度完成更多的讀/寫(xiě)周期。

FRAM還為開(kāi)發(fā)人員提供統(tǒng)一的內(nèi)存架構(gòu)，支持靈活的代碼和數(shù)據(jù)分區(qū)，并允許更簡(jiǎn)單，更小的單芯片內(nèi)存解決方案。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以使用簡(jiǎn)單的寫(xiě)保護(hù)電路輕松保護(hù)存儲(chǔ)在FRAM中的代碼免受無(wú)意寫(xiě)入，從而為基于FRAM的設(shè)計(jì)提供可編程塊寫(xiě)保護(hù)功能(圖2，HC151多路復(fù)用器)。

圖2：設(shè)計(jì)人員可以使用低功耗多路復(fù)用器(如HC151)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的地址相關(guān)寫(xiě)入使能功能，以保護(hù)存儲(chǔ)在FRAM器件中的代碼。 (賽普拉斯半導(dǎo)體提供)

器件配置

設(shè)計(jì)人員可以找到支持并行，SPI串行或I 2 C/2線串行接口的FRAM存儲(chǔ)器。例如，除了并行的1Mb MB85R1001A FRAM外，富士通還提供1Mb SPI串行器件MB85RS1MT，使設(shè)計(jì)人員能夠在典型的SPI主/從配置中采用任意數(shù)量的器件(圖3)。除了在比并聯(lián)電源更低的電源電壓下工作外，串行FRAM器件還為空間受限的設(shè)計(jì)提供更小的封裝選擇。例如，ROHM Semiconductor 32K SPI串行MR45V032A采用8引腳塑料小外形封裝(SOP)，尺寸僅為0.154“和3.90 mm。

圖3：富士通MB85RS1MT等設(shè)備允許對(duì)配備SPI的MCU使用熟悉的主/從配置 - 或者使用設(shè)備的SI和SO端口的簡(jiǎn)單總線連接解決方案，用于非基于SPI的設(shè)計(jì)。由富士通半導(dǎo)體公司提供)

FRAM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)擴(kuò)展到具有片上FRAM的德州儀器MSP430FR MCU系列等MCU。在MCU中，F(xiàn)RAM的高速操作可加快整體處理速度，允許寫(xiě)入非易失性存儲(chǔ)器以全速運(yùn)行，而不是強(qiáng)制MCU進(jìn)入等待狀態(tài)或阻塞中斷。 TI的FRAM MCU系列從MSP430FR5739等器件擴(kuò)展到全功能MSP430FR5969系列。作為MSP430系列中最小的器件，MSP430FR5739采用24引腳2 x 2芯片尺寸球柵陣列(DSBGA)，包括5個(gè)定時(shí)器，12通道10位ADC和直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)(DMA)用于最小化工作模式下的時(shí)間。

TI的MSP430FR5969是該公司功耗最低的MCU，具有大量片上FRAM存儲(chǔ)器(圖4)。在工作模式下，MCU僅需要100μA/MHz有效模式電流和450 nA待機(jī)模式電流，并啟用實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)。該系列中的器件包括一套全面的外設(shè)和一個(gè)16通道12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，能夠進(jìn)行單輸入或差分輸入操作。這些MCU還具有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)。

圖4 ：德州儀器(TI)MSP430FR5969 MCU將完整的外設(shè)與片上FRAM存儲(chǔ)相結(jié)合，同時(shí)僅需要100μA/MHz的有源模式電流，并且其多種低功耗模式(LPM)顯著降低。(德州儀器提供)

結(jié)論

FRAM器件提供10年數(shù)據(jù)保留時(shí)間的非易失性存儲(chǔ)器，其功耗僅為熟悉的閃存和EEPROM替代產(chǎn)品所需功耗的一小部分。利用可用的基于FRAM的存儲(chǔ)器和MCU器件，工程師可以將這些強(qiáng)大的器件構(gòu)建到低功耗能量采集應(yīng)用中，并且可以自信地運(yùn)行多年，并在間歇性斷電的情況下保持長(zhǎng)期數(shù)據(jù)。