FM25L04B：高性能4-Kbit串行F-RAM的详细剖析

在电子设备的设计中，存储器的选择至关重要，它直接影响着设备的性能、可靠性和使用寿命。今天我们要深入探讨的是英飞凌旗下赛普拉斯（Cypress）公司的FM25L04B 4-Kbit串行F-RAM，这是一款在工业控制、数据采集等领域有着广泛应用前景的存储器产品。

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产品概述

FM25L04B是一款采用先进铁电工艺的4-Kbit非易失性存储器，逻辑上组织为512 × 8位，通过行业标准的串行外设接口（SPI）总线进行访问。与传统的串行闪存和EEPROM相比，它具有卓越的写入性能、高耐久性和低功耗等显著优势，非常适合需要频繁或快速写入的非易失性存储器应用。

产品特性亮点

高耐久性与长数据保留时间

FM25L04B具备高达100万亿（(10^{14})）次的读写耐久性，能够承受大量的读写操作而不损坏，这对于需要频繁更新数据的应用场景来说至关重要。同时，它在不同温度条件下具有出色的数据保留能力，例如在65°C环境下可实现151年的数据保留，为数据的长期存储提供了可靠保障。

无延迟写入

与串行闪存和EEPROM不同，FM25L04B能够以总线速度执行写入操作，无需写入延迟。每个字节成功传输到设备后，数据会立即写入存储阵列，下一个总线周期可以立即开始，无需进行数据轮询，大大提高了系统的响应速度和数据处理效率。

高速SPI接口

该产品支持高达20 MHz的SPI时钟频率，能够实现高速的数据传输。它可以作为串行闪存和EEPROM的直接硬件替代品，并且支持SPI模式0 (0, 0)和模式3 (1, 1)，具有良好的兼容性和灵活性。

完善的写保护方案

FM25L04B提供了多层次的写保护功能，包括硬件保护和软件保护。通过写保护（WP）引脚可以实现硬件级别的写保护，防止意外写入操作。同时，还可以通过写禁用指令和软件块保护功能对存储器进行更精细的保护，可选择对1/4、1/2或整个阵列进行写保护。

低功耗与宽工作电压范围

在1 MHz时钟频率下，FM25L04B的工作电流仅为200 μA，待机电流典型值为3 μA，具有较低的功耗，有助于延长电池供电设备的使用寿命。它的工作电压范围为2.7 V至3.6 V，并且能够在 -40°C至 +85°C的工业温度范围内稳定工作，适应各种恶劣的工作环境。

多种封装形式

FM25L04B提供了8引脚小外形集成电路（SOIC）和8引脚薄型双侧扁平无引脚（DFN）两种封装形式，方便用户根据实际应用需求进行选择。同时，该产品符合有害物质限制（RoHS）标准，环保可靠。

功能详细解析

引脚定义与功能

FM25L04B的各个引脚都有明确的功能定义，下面为大家详细介绍：	引脚名称	I/O类型	描述
CS	输入	芯片选择，低电平有效。当该引脚为高电平时，设备进入低功耗待机模式，忽略其他输入并将输出置为高阻态；当为低电平时，设备内部激活SCK信号，每个操作码之前必须有CS的下降沿。
SCK	输入	串行时钟，所有I/O活动都与该时钟同步。输入数据在上升沿锁存，输出数据在下降沿产生。由于设备是同步的，时钟频率可以在0至20 MHz之间任意选择，并且可以随时中断。
SI	输入	串行输入，所有数据通过该引脚输入到设备。数据在SCK的上升沿采样，其他时间忽略。为了满足IDD规格，该引脚应始终驱动到有效逻辑电平。
SO	输出	串行输出，用于数据输出。在读取操作时驱动，其他时间包括HOLD为低电平时保持高阻态。数据在串行时钟的下降沿进行转换。
WP	输入	写保护，低电平有效。该引脚为低电平时，禁止所有写操作，包括状态寄存器；为高电平时，写访问由状态寄存器控制的其他写保护功能决定。如果不使用该引脚，必须连接到VDD。
HOLD	输入	HOLD引脚用于在主机CPU需要中断存储器操作以执行其他任务时使用。当HOLD为低电平时，当前操作暂停；当HOLD为高电平时，操作恢复。HOLD引脚的所有转换必须在SCK为低电平时进行。如果不使用该引脚，必须连接到VDD。
VSS	-	设备的电源地，必须连接到系统的地。
VDD	-	设备的电源输入。
EXPOSED PAD	无连接	8引脚DFN封装底部的外露焊盘不与芯片连接，不应焊接在PCB上。

SPI接口工作原理

FM25L04B作为SPI从设备，通过SPI总线与主设备进行通信。SPI是一种同步串行接口，使用时钟和数据引脚进行存储器访问，并支持在数据总线上连接多个设备。该设备支持SPI模式0和模式3，在这两种模式下，数据在SCK的上升沿开始从CS有效后的第一个上升沿开始时钟输入到F-RAM。

SPI协议由操作码控制，主设备通过发送操作码来指定对从设备的命令。在CS激活后，主设备发送的第一个字节是操作码，随后传输地址和数据。操作完成后，CS必须变为无效，才能发出新的操作码。

状态寄存器与写保护

FM25L04B的写保护功能通过状态寄存器实现，状态寄存器是一个8位寄存器，其中的位用于配置设备。具体如下：

• WEL（写使能锁存器）：指示设备是否允许写入。上电时默认值为‘0’（禁用），发送WREN操作码可将其置为‘1’，表示允许写入；发送WRDI操作码或完成写操作后，该位会自动清零。

• BP0和BP1（块保护位）：用于软件块保护，可选择对不同范围的存储器进行写保护，具体保护范围如下表所示：	BP1	BP0	受保护的地址范围
  0	0	无
  0	1	0x180至0x1FF（上1/4）
  1	0	0x100至0x1FF（上1/2）
  1	1	0x000至0x1FF（全部）

存储器操作

写操作

所有对存储器的写入操作都从发送WREN操作码开始。WRITE操作码包含存储器地址的高位，后续字节为地址的低位和要写入的数据。地址会在主设备持续提供时钟且CS为低电平时自动递增，如果达到最后一个地址0x1FF，计数器会回滚到0x000。数据按MSB优先顺序写入，CS的上升沿终止写操作。

读操作

在CS下降沿之后，主设备可以发送READ操作码。READ操作码同样包含存储器地址的高位，后续字节为地址的低位。发送操作码和地址后，设备在接下来的八个时钟周期内输出读取的数据。SI输入在读取数据字节时被忽略，地址会在主设备持续提供时钟且CS为低电平时自动递增，CS的上升沿终止读操作并将SO引脚置为高阻态。

HOLD引脚操作

HOLD引脚可以在不中止串行操作的情况下暂停操作。当主设备在SCK为低电平时将HOLD引脚拉低，当前操作会暂停；当HOLD引脚在SCK为低电平时变为高电平，操作将恢复。

电气特性与参数

最大额定值

为了确保设备的正常使用寿命，使用时应避免超过其最大额定值，具体参数如下：

• 存储温度范围：-65°C至 +125°C
• 不同环境温度下的最大累积存储时间：125°C时为1000小时，85°C时为10年
• 通电时的环境温度范围：-55°C至 +125°C
• VDD相对于VSS的电源电压范围：-1.0 V至 +5.0 V
• 输入电压范围：-1.0 V至 +5.0 V且VIN < VDD + 1.0 V
• 高阻态输出的直流电压范围：-0.5 V至VDD + 0.5 V
• 任何引脚到地电位的瞬态电压（< 20 ns）范围：-2.0 V至VDD + 2.0 V
• 封装功率耗散能力（TA = 25°C）：1.0 W
• 表面贴装引脚焊接温度（3秒）：+260°C
• 直流输出电流（一次一个输出，持续1秒）：15 mA
• 静电放电电压：人体模型（AEC-Q100-002 Rev. E）为2 kV，充电设备模型（AEC-Q100-011 Rev. B）为500 V
• 闩锁电流：> 140 mA

工作范围

FM25L04B适用于工业级应用，其工作范围如下：	范围	环境温度（TA）	VDD
工业级	-40°C至 +85°C	2.7 V至3.6 V

直流电气特性

在工作范围内，FM25L04B的直流电气特性如下表所示：	参数	描述	测试条件	最小值	典型值	最大值	单位
VDD	电源	-	2.7	3.0	3.6	V
IDD	VDD电源电流	SCK在VDD - 0.3 V和VSS之间切换，其他输入为VSS或VDD - 0.3 V，SO开路	fsck = 1 MHz	-	0.2	mA
		fsck = 20 MHz	-	-	3	mA
ISB	VDD待机电流	CS = VDD，其他输入为VSS或VDD	-	-	3	6	μA
II	输入泄漏电流	VSS ≤ VIN ≤ VDD	-	-	±1	μA
IO	输出泄漏电流	VSS ≤ VOUT ≤ VDD	-	-	±1	μA
VIH	输入高电平电压	-	0.7 × VDD	-	VDD + 0.3	V
VIL	输入低电平电压	-	-0.3	-	0.3 × VDD	V
VOH	输出高电平电压	IOH = -2 mA	VDD - 0.8	-	-	V
VOL	输出低电平电压	IOL = 2 mA	-	-	0.4	V
VHYs	输入滞回（CS和SCK引脚）	-	0.05 × VDD	-	-	V

数据保留与耐久性

FM25L04B在不同温度下的数据保留时间和耐久性参数如下：	参数	描述	测试条件	最小值	最大值	单位
TDR	数据保留时间	TA = 85°C	10年	-	-
		TA = 75°C	38年	-	-
		TA = 65°C	151年	-	-
NVC	耐久性	在工作温度范围内	(10^{14})	-	周期

电容与热阻

该产品的电容和热阻参数如下：	参数	描述	测试条件	最大值	单位
CO	输出引脚电容（SO）	TA = 25°C，f = 1 MHz，VDD = VDD(typ)	8	pF
CI	输入引脚电容	-	6	pF

参数	描述	测试条件	8引脚SOIC	8引脚DFN	单位
ΘJA	热阻（结到环境）	遵循EIA/JESD51标准测试方法和程序测量热阻抗	148	19	°C/W
ΘJC	热阻（结到外壳）	-	48	30	°C/W

交流测试条件与开关特性

在工作范围内，FM25L04B的交流测试条件和开关特性如下：

• 输入脉冲电平：VDD的10%和90%
• 输入上升和下降时间：5 ns
• 输入和输出定时参考电平：0.5 × VDD
• 输出负载电容：30 pF

参数	描述	最小值	最大值	单位
fSCK	SCK时钟频率	0	20	MHz
tCH	时钟高电平时间	22	-	ns
tCL	时钟低电平时间	22	-	ns
tCSU	芯片选择建立时间	10	-	ns
tCSH	芯片选择保持时间	10	-	ns
tOD	输出禁用时间	20	-	ns
tODV	输出数据有效时间	20	-	ns
tOH	输出保持时间	0	-	ns
tD	取消选择时间	60	-	ns
tR	数据输入上升时间	-	50	ns
tF	数据输入下降时间	-	50	ns
tSU	数据建立时间	5	-	ns
tH	数据保持时间	5	-	ns
tHS	HOLD建立时间	10	-	ns
tHH	HOLD保持时间	10	-	ns
tHZ	HOLD低电平到高阻态时间	-	20	ns
tLZ	HOLD高电平到数据有效时间	-	20	ns

电源周期时序

在工作范围内，FM25L04B的电源周期时序参数如下：	参数	描述	最小值	最大值	单位
tPU	电源上电VDD(min)到首次访问（CS低电平）时间	1	-	ms
tPD	最后一次访问（CS高电平）到电源下电（VDD(min)）时间	0	-	μs
tVR	VDD电源上电斜坡速率	30	-	μs/V
tVF	VDD电源下电斜坡速率	30	-	μs/V

订购信息与封装

FM25L04B提供了多种订购代码可供选择，不同的订购代码对应不同的封装类型和包装形式，具体如下：	订购代码	封装图编号	封装类型	工作范围
FM25L04B-G	51-85066	8引脚SOIC	工业级
FM25L04B-GTR	51-85066	8引脚SOIC	工业级
FM25L04B-DG	001-85260	8引脚DFN	工业级
FM25L04B-DGTR	001-85260	8引脚DFN	工业级

这些产品均为无铅产品，用户可联系当地的赛普拉斯销售代表了解产品的可用性。

勘误说明

需要注意的是，FM25L04B存在一个勘误问题：在执行对存储器地址范围从0x100到0x1FF的写操作（WRITE）后，状态寄存器中的写使能锁存器（WEL）位不会自动清零。这意味着在完成使用操作码字节0x0A的写周期后，状态寄存器中的WEL位仍然置位，因此可以在不发送WREN操作码的情况下进行进一步的写入操作。

为了解决这个问题，SPI主机控制器可以在每个写周期结束（CS变为高电平后）发出写禁用（WRDI）操作码，以确保WEL位被清零。目前没有计划对该问题进行修复，所有生产中的FM25L04B产品都将继续存在此勘误情况。