FRAM芯片扩展在低功率应用中的耐力

　　虽然EEPROM和FLASH通常被用于非易失性存储器的首选(NVM)在大多数应用中，铁电存储器(FRAM)为能量收集应用如无线传感器节点，智能电表的许多低功耗设计独特的优势，和其他数据采集设计。其扩展的读写周期和数据保留时间，FRAM技术可以帮助设计人员满足要求使用十年，FRAM芯片低功耗运行框架基于MCU的NVM制造商包括Cypress半导体、凯利讯半导体、罗姆半导体、德克萨斯文书。

　　传统的NVMs，如FLASH和EEPROM，在浮栅中的电荷泵，需要提高电压的需要迫使运营商通过栅氧化层的水平电荷载体的形式存储数据。其结果是，随着这些设备固有的长写延迟和高功率消耗，它们的高压写入操作最终会损耗电池——有时只占10000写入周期。

　　FRAM的优势

　　与此相反，铁电存储器(FRAM)的铁电材料锆钛酸铅的极化方式存储数据，或PZT(Pb(ZrTi)O3)，这是摆在两电极类似于电容器的结构之间的一种膜。与DRAM，在铁电存储器阵列的读取和写入单独的每一位，但在DRAM使用一个晶体管和电容存储位，框架采用偶极子转变的晶体结构由电整个电极领域的应用引起相应的点(图1)。因为这是在极化电场下，FRAM数据持续下去，即使没有可用功率的不确定环境–源动力设计的一个重要能力。

　　凯利讯半导体FRAM单元电场图像

　　图1：在一个框架单元，数据存储的电在PZT薄膜的方法，使–扩展数据保留和消除浮栅技术遇到的磨损领域的应用引起的偏振态。(由凯利讯半导体提供)

　　随着使框架的非挥发性、晶体极化的使用提供了基于电荷存储技术的许多优点(见表1)。因为它避免了浮栅技术的潜在的降解作用，FRAM存储器及其保留数据在面对功率损耗的寿命几乎是无限的能力。例如，FRAM存储器设备如富士通半导体mb85r1001a和罗姆半导体mr48v256a所有指定10年的数据保持特性。

　　                       铁电存储器              EEPROM           FLASH、         SRAM

　　内存类型           非挥发性                非挥发性           非挥发性          挥发性

　　写方法                覆盖                          擦除+               写擦除+         写重写

　　写入周期            150 ns                     5毫秒                  10微米s         55纳秒

　　读/写周期             1013                      106                       105               无限

　　升压电路                 否                            是                         是                   否

　　数据备份电池          不                            不                          不                   是

　                         　表1：与其他内存技术框架的比较。(由凯利讯半导体提供)

　　通过消除电荷泵在浮栅存储器技术的需要，框架可以在典型的供应3.3伏或更低的范围。此外，与存储的电荷存储器件，FRAM器件抗α粒子，通常表现出软错误率(SER)低于检测限。

　　设计的影响

　　FRAM的优势涟漪通过系统设计的影响，如无线传感器节点，这需要结合高速写入和低功耗操作。例如，以其高速度，设计师可以使用一个单一的框架装置，他们可能需要多个EEPROM器件并联设置的写数据吞吐率达到可接受的。在这些EEPROM设计中，当一个EEPROM设备完成其写入周期时，控制器将依次启动对下一个EEPROM设备的写操作，等等。然而，所有写入FRAM，发生在随机接入基础总线速度，没有基于内存的延迟或其他写放缓。作为一个结果，实现了显着更快的写入FRAM存储器通常比闪存更低的能源需求。

　　设计者还可以消除需要确保数据完整性所需的电源备份策略。使用EEPROM系统，当检测到电源故障时，内存控制器必须完成一个完整的写入周期到所需的数据块大小-需要额外的能量存储以确保基于EEPROM的设计的写入周期完成。以其快速的周期时间，FRAM能够完成写作过程，即使在突然停电，从而保证了数据的完整性而不需要复杂的电源备份方法。

　　在应用层面，FRAM的快速写入速度和低功耗操作也使能量收集应用的连续测量，如无线传感器或电能表。在一个给定的功率预算，FRAM器件将能够完成更多的读/写周期在一个更细的粒度可能比其他NVM技术。

　　框架还提出了开发商统一内存架构，使代码和数据的灵活分割，允许一个简单的单片机，较小的内存解决方案。同时，设计师可以轻松地保护存储在帧从无意写代码使用一个简单的写保护电路提供一个可编程的块写入FRAM设计保护功能(图2，HC151多路复用器)。

　　kynix半导体HC151低功耗多路图像

　　图2：设计师可以采用低功耗的多路复用器，如HC151实现一个简单的地址相关的写使能能力保护代码存储在铁电存储器。(凯利讯半导体半导体公司提供)

　　设备配置

　　设计师可以找到FRAM存储器支持并行、串行，或I2C / 2线串行接口。例如，随着它的并行1mb mb85r1001a FRAM，凯利讯提供了一个1MB的SPI串行设备的mb85rs1mt，使设计人员能够使用任意数量的设备在典型的SPI主/从结构(图3)。除了在比同行低电压操作的并行，串行FRAM器件还提供空间受限的设计更小的封装选项。例如，罗姆半导体32k SPI串行mr45v032a在8引脚塑料小外形封装(SOP)可测量只有0.154和3.90毫米的宽度。

　　凯利讯mb85rs1mt图像

　　图3：设备如凯利讯mb85rs1mt允许使用熟悉的主从MCU的SPI配置–或使用简单的总线连接解决方案使用设备的非基于SPI的设计四等端口配置。(由凯利讯半导体提供)

　　FRAM技术的优势延伸到MCU如德克萨斯仪器msp430fr MCU系列芯片上的框架。在MCUs，FRAM的高速运行速度整体处理，允许写入非易失性存储器进行全速而不是强迫单片机进入等待状态或受阻中断。TI的FRAM MCU系列等设备的msp430fr5739其功能齐全的msp430fr5969系列扩展。在MSP430系列的msp430fr5739最小的装置，在一个24引脚2 x 2模具尺寸的球栅阵列是可用的(dsbga)，还包括五个定时器，12通道10位ADC，和直接存储器存取(DMA)最小化在主动模式下的时间。

　　TI的msp430fr5969是公司的最低功耗单片机具有片上存储大量的框架(图4)。在主动模式下，单片机只需要100µ/电流和450 nA的电流实时时钟(RTC)待机模式主动模式启用。本系列设备包括一套全面的外围设备和一个16通道12位模数转换器(ADC)，能够进行单或差分输入操作。这些MCU还具有一个256位高级加密标准(AES)加速器和知识产权(IP)为保护关键数据封装模块。

　　德克萨斯仪器msp430fr5969单片机的图像(点击尺寸)

　　图4：德克萨斯仪器msp430fr5969单片机结合完整的芯片上的FRAM存储外设，而只需要100µ/电流与它的多个低功耗模式主动模式(LPM)明显减少。

　　结论

　　FRAM器件提供非易失性存储10年的数据保留时间在一部分功率需要熟悉FLASH和EEPROM的替代品。利用现有的框架为基础的内存和MCU器件，工程师可以建立这些强大的设备进入低功耗能量收集应用的信心在自己的操作能力多年，长期保持数据尽管间歇性功率损耗。