FRAM晶元擴展在低功率應用中的耐力

雖然EEPROM和FLASH通常被用於非易失性存儲器的首選(NVM)在大多數應用中，鐵電存儲器(FRAM)為能量收集應用如無線感測器節點，智能電錶的許多低功耗設計獨特的優勢，和其他數據採集設計。其擴展的讀寫周期和數據保留時間，FRAM技術可以幫助設計人員滿足要求使用十年，FRAM晶元低功耗運行框架基於MCU的NVM製造商包括Cypress半導體、凱利訊半導體、羅姆半導體、德克薩斯文書。

　　傳統的NVMs，如FLASH和EEPROM，在浮柵中的電荷泵，需要提高電壓的需要迫使運營商通過柵氧化層的水平電荷載體的形式存儲數據。其結果是，隨著這些設備固有的長寫延遲和高功率消耗，它們的高壓寫入操作最終會損耗電池——有時只佔10000寫入周期。

　 FRAM的優勢

　　與此相反，鐵電存儲器(FRAM)的鐵電材料鋯鈦酸鉛的極化方式存儲數據，或PZT(Pb(ZrTi)O3)，這是擺在兩電極類似於電容器的結構之間的一種膜。與DRAM，在鐵電存儲器陣列的讀取和寫入單獨的每一位，但在DRAM使用一個晶體管和電容存儲位，框架採用偶極子轉變的晶體結構由電整個電極領域的應用引起相應的點(圖1)。因為這是在極化電場下，FRAM數據持續下去，即使沒有可用功率的不確定環境–源動力設計的一個重要能力。

　　凱利訊半導體FRAM單元電場圖像

　　圖1：在一個框架單元，數據存儲的電在PZT薄膜的方法，使–擴展數據保留和消除浮柵技術遇到的磨損領域的應用引起的偏振態。(由凱利訊半導體提供)

　　隨著使框架的非揮發性、晶體極化的使用提供了基於電荷存儲技術的許多優點(見表1)。因為它避免了浮柵技術的潛在的降解作用，FRAM存儲器及其保留數據在面對功率損耗的壽命幾乎是無限的能力。例如，FRAM存儲器設備如富士通半導體mb85r1001a和羅姆半導體mr48v256a所有指定10年的數據保持特性。

　　 鐵電存儲器 EEPROM FLASH、 SRAM

　　內存類型 非揮發性 非揮發性 非揮發性 揮發性

　　寫方法 覆蓋 擦除+ 寫擦除+ 寫重寫

　　寫入周期 150 ns 5毫秒 10微米s 55納秒

　　讀/寫周期 1013 106 105 無限

　　升壓電路 否 是 是 否

　　數據備份電池 不 不 不 是

　 　表1：與其他內存技術框架的比較。(由凱利訊半導體提供)

　　通過消除電荷泵在浮柵存儲器技術的需要，框架可以在典型的供應3.3伏或更低的範圍。此外，與存儲的電荷存儲器件，FRAM器件抗α粒子，通常表現出軟錯誤率(SER)低於檢測限。

設計的影響

　　FRAM的優勢漣漪通過系統設計的影響，如無線感測器節點，這需要結合高速寫入和低功耗操作。例如，以其高速度，設計師可以使用一個單一的框架裝置，他們可能需要多個EEPROM器件並聯設置的寫數據吞吐率達到可接受的。在這些EEPROM設計中，當一個EEPROM設備完成其寫入周期時，控制器將依次啟動對下一個EEPROM設備的寫操作，等等。然而，所有寫入FRAM，發生在隨機接入基礎匯流排速度，沒有基於內存的延遲或其他寫放緩。作為一個結果，實現了顯著更快的寫入FRAM存儲器通常比快閃記憶體更低的能源需求。

　　設計者還可以消除需要確保數據完整性所需的電源備份策略。使用EEPROM系統，當檢測到電源故障時，內存控制器必須完成一個完整的寫入周期到所需的數據塊大小-需要額外的能量存儲以確保基於EEPROM的設計的寫入周期完成。以其快速的周期時間，FRAM能夠完成寫作過程，即使在突然停電，從而保證了數據的完整性而不需要複雜的電源備份方法。

　　在應用層面，FRAM的快速寫入速度和低功耗操作也使能量收集應用的連續測量，如無線感測器或電能表。在一個給定的功率預算，FRAM器件將能夠完成更多的讀/寫周期在一個更細的粒度可能比其他NVM技術。

　　框架還提出了開發商統一內存架構，使代碼和數據的靈活分割，允許一個簡單的單片機，較小的內存解決方案。同時，設計師可以輕鬆地保護存儲在幀從無意寫代碼使用一個簡單的防寫電路提供一個可編程的塊寫入FRAM設計保護功能(圖2，HC151多路復用器)。

　　kynix半導體HC151低功耗多路圖像

　　圖2：設計師可以採用低功耗的多路復用器，如HC151實現一個簡單的地址相關的寫使能能力保護代碼存儲在鐵電存儲器。(凱利訊半導體半導體公司提供)

設備配置

　　設計師可以找到FRAM存儲器支持並行、串列，或I2C / 2線串列介面。例如，隨著它的並行1mb mb85r1001a FRAM，凱利訊提供了一個1MB的SPI串列設備的mb85rs1mt，使設計人員能夠使用任意數量的設備在典型的SPI主/從結構(圖3)。除了在比同行低電壓操作的並行，串列FRAM器件還提供空間受限的設計更小的封裝選項。例如，羅姆半導體32k SPI串列mr45v032a在8引腳塑料小外形封裝(SOP)可測量只有0.154和3.90毫米的寬度。

　　凱利訊mb85rs1mt圖像

　　圖3：設備如凱利訊mb85rs1mt允許使用熟悉的主從MCU的SPI配置–或使用簡單的匯流排連接解決方案使用設備的非基於SPI的設計四等埠配置。(由凱利訊半導體提供)

　　FRAM技術的優勢延伸到MCU如德克薩斯儀器msp430fr MCU系列晶元上的框架。在MCUs，FRAM的高速運行速度整體處理，允許寫入非易失性存儲器進行全速而不是強迫單片機進入等待狀態或受阻中斷。TI的FRAM MCU系列等設備的msp430fr5739其功能齊全的msp430fr5969系列擴展。在MSP430系列的msp430fr5739最小的裝置，在一個24引腳2 x 2模具尺寸的球柵陣列是可用的(dsbga)，還包括五個定時器，12通道10位ADC，和直接存儲器存取(DMA)最小化在主動模式下的時間。

　　TI的msp430fr5969是公司的最低功耗單片機具有片上存儲大量的框架(圖4)。在主動模式下，單片機只需要100μ/電流和450 nA的電流實時時鐘(RTC)待機模式主動模式啟用。本系列設備包括一套全面的外圍設備和一個16通道12位模數轉換器(ADC)，能夠進行單或差分輸入操作。這些MCU還具有一個256位高級加密標準(AES)加速器和知識產權(IP)為保護關鍵數據封裝模塊。

　　德克薩斯儀器msp430fr5969單片機的圖像(點擊尺寸)

　　圖4：德克薩斯儀器msp430fr5969單片機結合完整的晶元上的FRAM存儲外設，而只需要100μ/電流與它的多個低功耗模式主動模式(LPM)明顯減少。

結論

　　FRAM器件提供非易失性存儲10年的數據保留時間在一部分功率需要熟悉FLASH和EEPROM的替代品。利用現有的框架為基礎的內存和MCU器件，工程師可以建立這些強大的設備進入低功耗能量收集應用的信心在自己的操作能力多年，長期保持數據儘管間歇性功率損耗。