基于FRAM的存储器和MCU器件构建低功耗能量采集应用

虽然EEPROM和闪存通常是大多数应用中非易失性存储器（NVM）的首选，但铁电RAM（FRAM）为能量收集应用中的许多低功耗设计（如无线传感器节点）提供了明显的优势。智能电表和其他数据记录设计。凭借其延长的写周期耐久性和数据保留时间，FRAM技术可帮助设计人员满足使用可用FRAM IC和基于FRAM的MCU的十年，低功耗NVM操作的要求，这些MCU来自赛普拉斯半导体，富士通半导体，ROHM Semiconductor等制造商和德州仪器。

传统的NVM，如闪存和EEPROM，以浮动栅极中的电荷载流子的形式存储数据，需要电荷泵将电压提升到迫使载流子通过栅极氧化物所需的电压。因此，随着这些器件固有的长写延迟和高功耗，它们的高压写操作最终会耗尽单元 - 有时只需10,000个写周期。

FRAM优势

相比之下，铁电RAM（FRAM）通过铁电材料锆钛酸铅或PZT（Pb（ZrTi）O3）的极化来存储数据，在两个电极之间放置薄膜，类似于电容器的结构。与DRAM一样，FRAM阵列中的每个位都是单独读取和写入的，但是当DRAM使用晶体管和电容来存储该位时，FRAM在晶体结构中使用偶极移位，用于施加电场引起的相应位穿过电极（图1）。由于在去除电场后这种极化仍然存在，即使没有可用功率，FRAM数据也会无限期地持续存在 - 这是由不确定的环境源驱动的设计的重要能力。

图1：在FRAM单元中，数据存储为在PZT薄膜上施加电场引起的极化状态 - 一种方法这样可以实现更长的数据保留，并消除浮栅技术中的磨损。 （由富士通半导体公司提供）

除了实现FRAM的非易失性外，晶体极化的使用与基于电荷存储的技术相比具有许多优势（见表1）。因为它避免了浮栅技术的潜在降级效应，所以FRAM存储器的寿命及其在功率损耗面前保留数据的能力实际上是无限的。例如，富士通半导体MB85R1001A和ROHM半导体MR48V256A等FRAM存储器件均具有10年的数据保持性能。

FRAM EEPROM FLASH SRAM存储器类型非易失性非易失性非易失性易失性写入方法覆盖擦除+写入擦除+写入覆盖写入周期时间150 ns 5 ms10μs55ns读取/写入周期10 13 10 6 10 5 无限制助推器电路否是是否数据备份电池否否否是

表1：FRAM与其他存储器技术的比较。 （由Fujitsu Semiconductor提供）

通过消除对浮栅存储器技术所需的电荷泵的需求，FRAM可以在3.3 V或更低的典型电源范围内工作。此外，与存储电荷存储器设备不同，FRAM器件耐α粒子并且通常表现出低于可检测极限的软错误率（SER）。

设计影响

FRAM优势的影响源于需要高速写入和低功耗操作相结合的系统设计，例如无线传感器节点。例如，由于其高速率，设计人员可以使用单个FRAM器件，他们可能需要并联排列多个EEPROM器件以实现可接受的数据写入吞吐率。在那些EEPROM设计中，当一个EEPROM器件完成其写周期时，控制器将依次启动对下一个EEPROM器件的写操作，依此类推。但是，对于FRAM，所有写操作都是以随机访问的速度在总线速度下进行的，没有基于内存的延迟或其他写入减速。因此，FRAM内存通常可以在明显更低的能量要求下实现比Flash快得多的写入。

设计人员还可以消除对确保数据完整性所需的电源备份策略的需求。对于EEPROM系统，当检测到电源故障时，存储器控制器必须完成所需数据块大小的完整写入周期 - 需要额外的能量存储以确保基于EEPROM的设计中的写周期完成。凭借其快速的周期时间，FRAM即使在突然断电时也能够完成写入过程，从而确保数据完整性，而无需复杂的电源备份方法。

在应用层面，FRAM的快速写作速度和低功率运行还可以在能量采集应用中实现连续测量，例如无线传感器或电表。在给定的功率预算下，FRAM器件将能够以比其他NVM技术更精细的粒度完成更多的读/写周期。

FRAM还为开发人员提供统一的内存架构，支持灵活的代码和数据分区，并允许更简单，更小的单芯片内存解决方案。同时，设计人员可以使用简单的写保护电路轻松保护存储在FRAM中的代码免受无意写入，从而为基于FRAM的设计提供可编程块写保护功能（图2，HC151多路复用器）。

图2：设计人员可以使用低功耗多路复用器（如HC151）实现简单的地址相关写入使能功能，以保护存储在FRAM器件中的代码。 （赛普拉斯半导体提供）

器件配置

设计人员可以找到支持并行，SPI串行或I 2 C/2线串行接口的FRAM存储器。例如，除了并行的1Mb MB85R1001A FRAM外，富士通还提供1Mb SPI串行器件MB85RS1MT，使设计人员能够在典型的SPI主/从配置中采用任意数量的器件（图3）。除了在比并联电源更低的电源电压下工作外，串行FRAM器件还为空间受限的设计提供更小的封装选择。例如，ROHM Semiconductor 32K SPI串行MR45V032A采用8引脚塑料小外形封装（SOP），尺寸仅为0.154“和3.90 mm。

图3：富士通MB85RS1MT等设备允许对配备SPI的MCU使用熟悉的主/从配置 - 或者使用设备的SI和SO端口的简单总线连接解决方案，用于非基于SPI的设计。由富士通半导体公司提供）

FRAM技术的优势扩展到具有片上FRAM的德州仪器MSP430FR MCU系列等MCU。在MCU中，FRAM的高速操作可加快整体处理速度，允许写入非易失性存储器以全速运行，而不是强制MCU进入等待状态或阻塞中断。 TI的FRAM MCU系列从MSP430FR5739等器件扩展到全功能MSP430FR5969系列。作为MSP430系列中最小的器件，MSP430FR5739采用24引脚2 x 2芯片尺寸球栅阵列（DSBGA），包括5个定时器，12通道10位ADC和直接存储器访问（DMA）用于最小化工作模式下的时间。

TI的MSP430FR5969是该公司功耗最低的MCU，具有大量片上FRAM存储器（图4）。在工作模式下，MCU仅需要100μA/MHz有效模式电流和450 nA待机模式电流，并启用实时时钟（RTC）。该系列中的器件包括一套全面的外设和一个16通道12位模数转换器（ADC），能够进行单输入或差分输入操作。这些MCU还具有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（TI）MSP430FR5969 MCU将完整的外设与片上FRAM存储相结合，同时仅需要100μA/MHz的有源模式电流，并且其多种低功耗模式（LPM）显着降低。（德州仪器提供）

结论

FRAM器件提供10年数据保留时间的非易失性存储器，其功耗仅为熟悉的闪存和EEPROM替代产品所需功耗的一小部分。利用可用的基于FRAM的存储器和MCU器件，工程师可以将这些强大的器件构建到低功耗能量采集应用中，并且可以自信地运行多年，并在间歇性断电的情况下保持长期数据。