低功率应用中的FRAM芯片扩展耐力

虽然EEPROM和FLASH通常都被用于非易失性存储器(NVM)的最佳选择，在大多数应用中，铁电存储器(FRAM)为能量收集应用提供了许多低功耗设计，例如无线传感器节点，智能电表明显的优势，和其他数据记录的设计。凭借其扩展的写周期耐力和数据保留时间，FRAM技术可帮助设计人员满足使用的FRAM芯片和基于FRAM微控制器的制造商，包括Cypress半导体，富士通半导体制造商ROHM Semiconductor要求十年之久，低功耗的NVM操作和德州仪器。
常规NVMS，诸如FLASH和EEPROM，将数据存储在一个浮动栅极的电荷载体的形式中，该电荷泵需要一个电荷泵，以提高所需的电压，以迫使载流子通过栅极氧化物。结果，随着长写延迟和在这些设备中的高功率消耗，他们的高电压写操作最终可能磨损单元，有时在10000个写周期为数不多。
FRAM的优势
与此相反，铁电RAM(FRAM)存储由铁电材料锆钛酸铅的偏振的装置，或PZT(Pb(上ZrTi)O 3)，它被置于两个电极类似的电容器的结构之间的膜。与DRAM中，在FRAM中阵列的每一位被读出和单独写入，但在DRAM的使用的晶体管和电容器来存储比特，FRAM采用在晶体结构中的偶极移引起的施加电场的相应位跨电极(图1)。因为该偏振仍然是去掉电场之后，FRAM数据仍然存在无限期即使没有可用功率 - 用于设计搭载不确定环境来源的重要能力。

图1：在一个FRAM单元，数据存储为偏振引起的施加电场横跨PZT膜的状态 - 一种方法，使扩展的数据保留，并消除在浮栅技术中遇到的磨损。 (富士通半导体提供)

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效果，FRAM存储器和其保存数据的功率损耗的面能力的寿命几乎是无限的。例如，FRAM存储器设备，如富士通半导体MB85R1001A和ROHM半导体MR48V256A所有指定10年的数据保持性能。

通过省去了在浮栅存储器技术所需电荷泵，FRAM可以在3.3V或更低的典型电源范围内工作。此外，与存储电荷的存储器设备，FRAM装置具有耐α粒子和通常表现出软错误率(SER)检测极限以下。
FRAM的优势的影响涟漪通过的系统，例如无线传感器节点，需要高速写入和低功耗工作的组合的设计。例如，对于它的高速率，设计者可以使用一个单一的FRAM装置，其中，他们可能需要并联布置以达到可接受的数据写吞吐率多个EEPROM器件。在这些设计中的EEPROM，而一个EEPROM器件正在完成其写周期时，控制器将启动一个写操作的下一个EEPROM器件上的顺序，等等。使用FRAM，但是，所有的写操作发生在一个随机存取的基础总线速度，没有基于内存的延迟或其他写放缓。其结果是，FRAM存储器典型地实现在相当低的能量需求显著更快的写入比闪存。
设计人员还可以不再需要必须确保数据的完整性电源的备份策略。用一个EEPROM系统中，存储器控制器必须完成一个完整的写周期被检测到电源故障时所需要的数据块大小 - 需要额外的能量储存，以确保在基于EEPROM的设计写周期完成。凭借其快速的循环时间，FRAM能够即使在突然停电，完成写作过程中，从而保证了数据的完整性，无需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能连续测量能量采集应用，如无线传感器或电能表。在给定的功率预算，FRAM设备将能够完成更多的读/写循环的一个更精细的粒度比可能与其他NVM技术。
FRAM还介绍了开发人员提供一个统一内存架构，使代码和数据灵活的分区，并允许一个更简单的，更小的单芯片的内存解决方案。同时，设计人员可以很容易地防止使用简单的写保护电路，以提供基于FRAM的设计(图2，HC151多路复用器)可编程块写保护功能意外写入存储在FRAM的代码。

图2：设计师可以采用低功耗的多路复用器，如实现一个简单的地址相关的写的HC151支持能力来保护存储在FRAM器件代码。 (Cypress半导体公司提供)

设备配置
设计人员可以找到FRAM存储器支持并行，SPI串行或I2C / 2线串行接口。例如，连同其平行的1Mb MB85R1001A FRAM，富士通提供1MB的SPI串行器，MB85RS1MT，使设计人员能够采用典型的SPI主/从配置(图3)设备的任意数字。除了在较低的电源电压比他们的同行并行操作，串行FRAM器件还提供了适用于空间受限的设计更小的封装选项。例如，ROHM半导体32K SPI串行MR45V032A是在8引脚塑料小外形封装(SOP)只有0.154测量“和3.90毫米宽度可用。

图3：设备，如富士通MB85RS1MT允许使用熟悉的主/从配置为SPI-配备的MCU - 或使用使用设备的SI和SO端口，用于非基于SPI的设计，简单的总线连接解决方??案。 (富士通半导体提供)

FRAM技术的优势扩展到微控制器，如德州仪器MSP430FR MCU系列具有片上FRAM。在微控制器，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MCU进入等待状态或阻塞中断。 TI的FRAM微控制器系列的延伸，如MSP430FR5739其全功能MSP430FR5969系列设备。最小的设备在MSP430系列中，MSP430FR5739是一个24引脚2×2芯片尺寸的球栅阵列(DSBGA)可用，但包括5个定时器，一个12通道10位ADC，以及直接存储器存取(DMA)用于最小化在主动模式下的时间。
TI的MSP430FR5969是该公司低功耗MCU具有实质性芯片FRAM存储(图4)。在主动模式下，MCU仅需要为100μA/ MHz有源模式电流和450 nA的待机模电流与实时时钟(RTC)启用。在这一系列的设备包括一个全面的外设和一个16通道12位模拟 - 数字转换器(ADC)，其能够单层或差分输入操作。这些MCU还配备了256位高级加密标准(AES)加速器和知识产权(IP)封装模块，用于保护关键数据。

图4：德州仪器MSP430FR5969 MCU结合周边的全套带有片上FRAM存储器，而只需要100μA/ MHz有源模式电流和显著少带了多个低功耗模式(LPM)。

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FRAM存储器和MCU器件，工程师可以自信地建立这些强大的设备进入低功耗能量收集应用程序，操作数年并保持长期的数据（尽管间歇性电源损耗）。