基于FRAM的存儲器和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（如無線傳感器節(jié)點）提供了明顯的優(yōu)勢。智能電表和其他數(shù)據(jù)記錄設(shè)計。憑借其延長的寫周期耐久性和數(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?xùn)艠O中的電荷載流子的形式存儲數(shù)據(jù)，需要電荷泵將電壓提升到迫使載流子通過柵極氧化物所需的電壓。因此，隨著這些器件固有的長寫延遲和高功耗，它們的高壓寫操作最終會耗盡單元 - 有時只需10,000個寫周期。

FRAM優(yōu)勢

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

圖1：在FRAM單元中，數(shù)據(jù)存儲為在PZT薄膜上施加電場引起的極化狀態(tài) - 一種方法這樣可以實現(xiàn)更長的數(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）

除了實現(xiàn)FRAM的非易失性外，晶體極化的使用與基于電荷存儲的技術(shù)相比具有許多優(yōu)勢（見表1）。因為它避免了浮柵技術(shù)的潛在降級效應(yīng)，所以FRAM存儲器的壽命及其在功率損耗面前保留數(shù)據(jù)的能力實際上是無限的。例如，富士通半導(dǎo)體MB85R1001A和ROHM半導(dǎo)體MR48V256A等FRAM存儲器件均具有10年的數(shù)據(jù)保持性能。

FRAM EEPROM FLASH SRAM存儲器類型非易失性非易失性非易失性易失性寫入方法覆蓋擦除+寫入擦除+寫入覆蓋寫入周期時間150 ns 5 ms10μs55ns讀取/寫入周期10 13 10 6 10 5 無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與其他存儲器技術(shù)的比較。 （由Fujitsu Semiconductor提供）

通過消除對浮柵存儲器技術(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，與存儲電荷存儲器設(shè)備不同，F(xiàn)RAM器件耐α粒子并且通常表現(xiàn)出低于可檢測極限的軟錯誤率（SER）。

設(shè)計影響

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

設(shè)計人員還可以消除對確保數(shù)據(jù)完整性所需的電源備份策略的需求。對于EEPROM系統(tǒng)，當(dāng)檢測到電源故障時，存儲器控制器必須完成所需數(shù)據(jù)塊大小的完整寫入周期 - 需要額外的能量存儲以確?；贓EPROM的設(shè)計中的寫周期完成。憑借其快速的周期時間，F(xiàn)RAM即使在突然斷電時也能夠完成寫入過程，從而確保數(shù)據(jù)完整性，而無需復(fù)雜的電源備份方法。

在應(yīng)用層面，F(xiàn)RAM的快速寫作速度和低功率運行還可以在能量采集應(yīng)用中實現(xiàn)連續(xù)測量，例如無線傳感器或電表。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)更精細的粒度完成更多的讀/寫周期。

FRAM還為開發(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)，并允許更簡單，更小的單芯片內(nèi)存解決方案。同時，設(shè)計人員可以使用簡單的寫保護電路輕松保護存儲在FRAM中的代碼免受無意寫入，從而為基于FRAM的設(shè)計提供可編程塊寫保護功能（圖2，HC151多路復(fù)用器）。

圖2：設(shè)計人員可以使用低功耗多路復(fù)用器（如HC151）實現(xiàn)簡單的地址相關(guān)寫入使能功能，以保護存儲在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端口的簡單總線連接解決方案，用于非基于SPI的設(shè)計。由富士通半導(dǎo)體公司提供）

FRAM技術(shù)的優(yōu)勢擴展到具有片上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，允許寫入非易失性存儲器以全速運行，而不是強制MCU進入等待狀態(tài)或阻塞中斷。 TI的FRAM MCU系列從MSP430FR5739等器件擴展到全功能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個定時器，12通道10位ADC和直接存儲器訪問（DMA）用于最小化工作模式下的時間。

TI的MSP430FR5969是該公司功耗最低的MCU，具有大量片上FRAM存儲器（圖4）。在工作模式下，MCU僅需要100μA/MHz有效模式電流和450 nA待機模式電流，并啟用實時時鐘（RTC）。該系列中的器件包括一套全面的外設(shè)和一個16通道12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），能夠進行單輸入或差分輸入操作。這些MCU還具有256位高級加密標準（AES）加速器和知識產(chǎn)權(quán)（IP）封裝模塊，用于保護關(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存儲相結(jié)合，同時僅需要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)保留時間的非易失性存儲器，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的存儲器和MCU器件，工程師可以將這些強大的器件構(gòu)建到低功耗能量采集應(yīng)用中，并且可以自信地運行多年，并在間歇性斷電的情況下保持長期數(shù)據(jù)。