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基于F-RAM构建的电池供电设备如何确保可靠的系统设计?

对于为消费类、工业和其他细分市场设计的电池供电移动设备而言,可靠的长期数据存储已成为日益重要的需求。在早期的产品中,使用的是常规的非易失性存储器 (NVM) 技术,例如闪存或电可擦除可编程只读存储器 (EEPROM),来满足这种需求。

然而,对于当今的先进移动产品,用户不断期望更长的电池寿命,这使得能够提供可靠存储而又不影响设计性能或功耗预算的选择大大受限。

本文介绍 Cypress Semiconductor 的 Excelon 铁电随机存取存储器 (F-RAM) 系列,并展示了如何使用该存储器来满足电池供电设备对可靠的长期存储的需求。

便携式设备面临的存储挑战
在可穿戴设备、物联网设备和其他便携式产品的设计中,产品功能的增强直接伴随着对大型非易失性存储的需求。用户对更全面信息的需求促使这些设计中集成了更多类型的传感器,而这些传感器以更高的分辨率和更快的更新速率运行。同时,用户希望这些先进的产品能够提供全面的历史数据和趋势视图,而不仅限于当前传感器数据的简单快照。特别是,该设备必须能够按需生成此数据目录,而无需主动连接到云、智能手机或其他外部设备。

设计人员试图用传统的 NVM 技术来满足这些基本要求,但却面临多重困难,尤其是在功耗受限的设计中。由于完成编程过程所需的周期较长,因此许多 NVM 技术的写入时间本身就比 RAM 要慢得多。传统的 EEPROM 可能具有几毫秒的写入时间。即使在高级闪存中,由于在写入周期内需要额外的“停留时间”,也会降低性能。反过来,更长的写入周期意味着总体电流消耗增加,以及数据更新速率降低。最后,传统 NVM 器件的写入寿命规格通常有限。如果以常规数据存储所需的重复写入周期使用,则这些器件可能会在产品的使用寿命内失效。

面向越来越多的电池供电设计,F-RAM NVM 器件提供了一种更简单的长期存储解决方案,兼具所需的速度、耐用性和低功耗运行优势。典型 F-RAM 器件的写入耐久性和写入周期时间优于 EEPROM 和闪存好几个数量级,甚至在速度上接近静态 RAM (SRAM)。实际上,F-RAM 兼具传统 RAM 的性能优势和其他 NVM 技术的非易失性存储功能。在 F-RAM 解决方案中,Cypress Semiconductor 的 Excelon LP(低功耗)F-FRAM 系列更进一步,能够满足电池供电的可穿戴设备和其他移动产品对超低功耗的基本要求。

超低功耗 F-RAM
Cypress 的 Excelon LP F-RAM 器件是集成的非易失性存储器子系统,结合了 F-FRAM 阵列、寄存器、控制和接口逻辑,以及一个特殊扇区,其设计用于在多达三个标准回流焊周期中保存内容(图 1)。

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Excelon LP F-FRAM 器件提供的长期可靠性水平远远超过典型的 EEPROM 或闪存。这些器件具有 1015 个读/写周期的使用寿命和 151 年的数据保留能力,超过了任何实用性可穿戴设备或物联网设备的实际使用寿命。

这些器件的写入性能还提高了应用的整体可靠性。由于这些器件以总线速度将数据写入非易失性 F-RAM 阵列,因此与其他类型的 NVM 器件相比,大幅降低了丢失数据的几率。在那些器件中,不仅写入时间要长得多,相应的内部数据缓存需求还造成较宽的易损窗口,如果在写入序列完成之前出现电源故障,数据可能会丢失。

与其他 NVM 技术不同,Excelon LP F-FRAM 器件以极低的电流电平运行,而这正是延长便携式产品的电池寿命所需要的。Cypress 的 CY15x108QI 8 兆位 (Mb) F-RAM LP 系列运行在 20 兆赫 (MHz) 时,仅消耗 1.3 毫安 (mA) 电流,而 Cypress 的 CY15x104QI 4 Mb F-RAM LP 系列仅消耗 1.2 mA 电流。这些器件还为开发人员提供了多种选择,以实现进一步降低电流消耗,具体如下所述。

Excelon LP 系列产品设计用于支持广泛的系统要求,可在商业和工业温度范围内以及不同的供电电压下使用。例如,4 Mb CY15V104QI 和 8 Mb CY15V108QI 的供电电压范围为 1.71 V 至 1.89 V,而 4 Mb CY15B104QI 和 8 Mb CY15B108QI 的设计工作电压范围为 1.8 V 至 3.6 V。

简单的系统设计
除了确保与不同应用的运行要求适当匹配之外,这些器件还可简化系统设计。在典型的设计中,开发人员将使用串行外设接口 (SPI) 总线将一个或多个 Excelon LP F-RAM 器件作为 SPI 从设备连接到 SPI 主设备,例如微控制器(图 2)。

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互连 SPI 总线上的事务简单而快速。写入存储器时,Excelon LP F-RAM 器件没有前述闪存或 EEPROM 技术的额外写入延迟。相反,当每个字节通过 SPI 总线到达器件时,会被立即写入 F-RAM 阵列,从而大幅降低由于突然断电而导致数据丢失的风险。

对于系统开发人员而言,写入过程遵循简单的 SPI 协议,其中涉及工业标准 SPI 操作代码(操作码)。主机处理器通过发送写使能 (WREN) 操作码 (06h) 同时升高然后降低片选 (ØCS) 线的电平,来开始每个写入序列。在短暂的初始化阶段之后,主机处理器通过依次发送写操作码 (02h) 和 24 位地址来开始写入操作。(在这些器件中,该地址的高四位会被忽略,但可确保与将来更高密度的 F-RAM 器件兼容。)发送地址后,主机处理器即会开始传输数据字节(图 3)。

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当主机处理器发送数据字节时,只要主机处理器将 ØCS 线保持低电平并继续发送时钟信号,F-RAM 器件就会在内部自动递增地址。因此,设计人员可以在需要任意单字节写入和块写入组合的设计中使用 Excelon LP F-RAM 器件。

读取操作遵循类似的 SPI 协议。降低 ØCS 电平后,主机处理器会发送读取操作码 (03h) 和 24 位地址。Excelon LP F-RAM 器件通过每个 SCK 时钟周期在 SO 线上传输数据字节来立即做出响应。与写入操作一样,只要主机处理器将 ØCS 保持低电平并继续发出 SCK 时钟,读取操作就会继续。

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