Använda en F-RAM för att bygga batteridrivna enheter med långvarig lagring med ultralåg effekt

Tillförlitlig långvarig datalagring har växt fram som ett allt viktigare krav för mobila batteridrivna enheter avsedda för konsumenter, industri och andra segment. Konventionella tekniker för icke-flyktiga minnen (NVM) som flashminnen eller elektriskt raderbart programmerbart läsminne (EEPROM) har spelat en viktig roll för tidigare produktgenerationer.

För dagens avancerade, mobila produkter har kundernas ständiga förväntningar på längre batteritid emellertid avsevärt begränsat utbudet av alternativ som kan leverera tillförlitlig lagring utan att negativt påverka konstruktionen eller effekten.

I denna artikel introduceras F-RAM-minnet (ferroelektriskt RAM-minne) från Cypress Semiconductor i serie Excelon. Här visas också hur detta kan användas för att uppfylla kraven på tillförlitlig, långvarig lagring i batteridrivna enheter.

Utmaningar vid lagring i bärbara enheter

Vid konstruktion av bärbar teknik, IoT-enheter och andra bärbara produkter följer behovet av stor, icke-flyktig lagring som en direkt följd av ökad kapacitet för dessa enheter. Användares önskemål om mer omfattande information har drivit integrationen i dessa konstruktioner för fler typer av sensorer som drivs med högre upplösning och snabbare uppdateringshastigheter. Samtidigt förväntar sig användare att dessa sofistikerade produkter ska visa en omfattande översikt över historiska data och trender snarare än enkla ögonblicksbilder av aktuella sensordata. Det är extra viktigt att enheten kan generera denna katalog med data vid behov utan aktiv anslutning till molnet, smarttelefon eller annan extern enhet.

Konstruktörer som försöker uppfylla dessa grundläggande krav med konventionell NVM-teknik stöter på många svårigheter, särskilt i konstruktioner med effektbegränsning. Skrivtider för många NVM-tekniker är mycket långsammare än för RAM på grund av behovet av förlängda cykler för att slutföra programmeringen. Konventionell EEPROM klarar av skrivtider på flera millisekunder. Även i avancerade flashminnen sänks prestandan på grund av behovet av den extra tid som används under skrivcykler. På grund av detta ger längre skrivcykler ökad övergripande strömförbrukning och lägre datauppdateringshastighet. Slutligen kan sägas att konventionella NVM-enheter typiskt har begränsade specifikationer för skrivhållbarhet. Om enheterna används med repeterade skrivcykler som krävs för rutinmässig datalagring kan de slitas ut innan produktens livslängd har passerat.

Med den växande användningen av batteridrivna konstruktioner ger F-RAM NVM-enheter en enklare lösning för långvarig lagring, som ger önskad kombination av hastighet, hållbarhet och strömsnål drift. Typiska F-RAM-enheter har skrivhållbarhet och skrivcykeltider som är enormt mycket bättre än motsvarande värden för EEPROM och flashminne – de närmar sig till och med statiskt RAM (SRAM) i hastighet. Det är faktiskt så att F-RAM kombinerar prestandafördelarna för konventionella RAM med icke-flyktig lagringskapacitet för annan NVM-teknik. Bland F-RAM-lösningarna går Cypress Semiconductor Excelon LP (strömsnål) F-FRAM-serie ett steg längre med sin förmåga att leva upp till de fundamentala kraven för effektförbrukning för ultralåg effekt i batteridriven bärbar teknik och andra mobila produkter.

F-RAM med ultralåg effekt

Cypress Excelon LP F-RAM-enheter är integrerade icke-flyktiga minnessubsystem som kombinerar en F-FRAM-matris, register, styrnings- och gränssnittslogik och en specialsektor som är utformad att bevara innehåll med hjälp av upp till tre standard omsmältningslödningscykler (figur 1).

Figur 1: I Cypress Semiconductor Excelon LP F-RAM-enheter integreras en F-RAM-matris och stödkretsar för att ge ett komplett minnessubsystem som är åtkomligt via standard SPI-portar. (Bildkälla: Cypress Semiconductor)

Excelon LP F-FRAM-enheter ger långvarig tillförlitlighet som vida överstiger densamma för typiska EEPROM eller flashminnen. Hållbarheten för dessa enheters läs-/skrivcykler är 10¹⁵ och de klarar att hålla datan lagrad i 151 år, vilket i praktikten överstiger den realistiska livscykeln för alla enheter inom bärbar teknik eller IoT.

Skrivprestandan för dessa enheter ger också förbättrad övergripande tillförlitlighet för tillämpningar. Eftersom dessa enheter skriver data till icke-flyktig F-RAM-matris med busshastighet minskar de risken för dataförlust avsevärt jämfört med andra typer av NVM-enheter. I dessa enheter leder den avsevärt längre skrivtiden och motsvarande behov att buffra data internt till en ökad sårbarhet där data kan förloras vid eventuella strömavbrott innan skrivsekvensen är slutförd.

Till skillnad mot annan NVM-teknik drivs Excelon LP F-FRAM-enheter vid den minimala strömnivå som krävs för att förlänga batterilivslängden för bärbara produkter. Cypress CY15x108QI 8 Mb F-RAM LP-serie arbetar vid 20 MHz och förbrukar endast 1,3 mA, medan Cypress CY15x104QI 4 Mb F-RAM LP-serien förbrukar endast 1,2 mA. Enheterna ger också utvecklare flera alternativ att uppnå ytterligare sänkningar av strömförbrukningen (detta diskuteras ingående nedan).

Enheter i Excelon LP-serien stöder många olika systemkrav och finns för både kommersiella och industriella temperaturområden och med olika matningsspänning. Exempel: CY15V104QI (4 Mb) och CY15V108QI (8 Mb) drivs med matningsspänning mellan 1,71 och 1,89 V, medan CY15B104QI (4 Mb) och CY15B108QI (8 Mb) är konstruerade att drivas med 1,8 till 3,6 V matningsspänning.

Enkel systemdesign

Förutom att säkerställa lämplig överensstämmelse med driftkraven för olika tillämpningar underlättar dessa enheter systemdesign. För en typisk design skulle utvecklare använda en SPI-buss (seriellt perifert gränssnitt) för att ansluta en eller flera Excelon LP F-RAM-enheter som SPI-slavar till en SPI-master, såsom en microcontroller (figur 2).

Figur 2: Utvecklare kan lägga till långvarig lagring till sina konstruktioner genom att bara ansluta en eller flera Cypress Semiconductor Excelon LP F-RAM-enheter till SPI-bussen som styrs av en SPI-master, som exempelvis en microcontroller. (Bildkälla: Cypress Semiconductor)

Transaktioner över den sammankopplade SPI-bussen är enkla och snabba. Vid skrivning till minne arbetar Excelon LP F-RAM-enheter utan den extra skrivfördröjning som tidigare uppstod för flash- och EEPROM-teknikerna. Istället skrivs varje byte omedelbart när den når enheten genom SPI-bussen till F-RAM-matrisen, vilket avsevärt minskar risken för dataförlust på grund av plötsligt strömavbrott.

För systemutvecklare följer skrivprocessen ett enkelt SPI-protokoll som innefattar SPI-driftkoder (operationskoder) enligt branschstandard. Värdprocessorn inleder varje skrivsekvens genom att sända en ej skrivskyddad WREN-operationskod (06h) samtidigt som den höjer och därefter sänker chipväljarledningen (ØCS). Efter denna korta initieringsfas inleder värdprocessorn skrivning genom att sända skrivoperationskod (02h) följd av en 24-bitars adress. (De övre fyra bitarna i adressen ignoreras i dessa enheter men säkerställer kompatibilitet med framtida F-RAM-enheter med högre densitet.) Omedelbart efter att ha skickat adressen kan värdprocessorn inleda överföring av databyte (figur 3).

Figur 3: Under standard SPI-skrivsekvens skriver Cypress Semiconductor Excelon LP F-RAM-enheter omedelbart data till F-RAM-matrisen utan fördröjningar på grund av buffert eller hålltid, vilket var fallet för tidigare NVM-teknik. (Bildkälla: Cypress Semiconductor)

När värdprocessorn skickar databyte ökar F-RAM-enheten automatiskt adressen internt så länge som värdprocessorn håller chipväljarledningen (ØCS) låg och fortsätter att sända klocksignaler. Till följd av detta kan konstruktörer använda Excelon LP F-RAM-enheter i konstruktioner som kräver kombination av skrivning av enstaka byte och blockskrivning.

Läsåtgärder följer liknande SPI-protokoll. Efter att ha sänkt ØCS sänder värdprocessorn en läsoperationskod (03h) och 24-bitarsadressen. Excelon LP F-RAM-enheter svarar omedelbart genom att skicka databyte på SO-raden med varje SCK-klockcykel. Precis som för skrivoperationen fortsätter läsoperationen lika länge som värdprocessorn håller ØCS låg och fortsätter att publicera SCK-klockor.

Utökad livslängd för batteri

Tillsammans med deras enkla systemdesignskrav ger dessa strömsnåla F-RAM-enheter utvecklare möjligheter att kunna sänka strömförbrukningen och förlänga batteriets livslängd. Cypress CY15x10xQI-enheter är specifikt avsedda för batteridrivna tillämpningar och integrerar inbyggda styrkretsar som reducerar den relativt höga inkopplingsströmmen som typiskt sett genereras vid start av NVM-enheter.

Cypress Excelon LP F-RAM-enheter ger också utvecklare möjlighet att använda olika strategier för att förlänga batterilivslängden i konstruktioner inom bärbar teknik och IoT som använder sensorer för att spåra det relativt långsamma förloppet för realtidshändelser. I dessa konstruktioner kan Cypress Excelon LP F-RAM-enheter typiskt sett drivas vid lägre klockfrekvens, vilket ger lägre strömförbrukning. Exempel: Vid drift med en 1 MHz-klocka faller strömförbrukningen för CY15V108QI (8 Mb) till 300 µA, från 1,3 mA använd vid 20 MHz. Och CY15V104QI (4 Mb) kräver endast 200 µA vid 1 MHz, jämfört med 1,2 mA vid 20 MHz.

Genom att använda speciella lågeffektslägen tillgängliga tillsammans med Excelon LP F-RAM-enheter kan utvecklare ytterligare minimera systemets effektförbrukning under de olika vilointervallen som rutinmässigt inträffar för tillämpningar med bärbar teknik och IoT. Dessa F-RAM-enheter stöder tre reducerade effektlägen tack vare vilka utvecklare kan byta ut svarstid mot minskad strömförbrukning.

Enheterna intar automatiskt det första lågeffektsläget (standbyläge) när ØCS höjs för att slutföra en SPI-sekvens. Omvänt lämnar enheterna automatiskt standbyläge när ØCS sänks för att inleda en ny SPI-sekvens. I standbyläge förbrukar CY15V108QI (8 Mb) Excelon LP F-RAM endast 3,5 µA och CY15V104QI (4 Mb) förbrukar så lite som 2,3 µA.

I standbyläge ges omedelbar och automatisk strömminskning utan ytterligare fördröjning vid återgång till normalt aktivt läge. För tillämpningar med förlängda vilointervall reducerar emellertid denna strömförbrukning batteriets livslängd långsiktigt. I dessa fall ger Excelon LP F-RAM-enheter två ytterligare lågeffektslägen: djupt avstängningsläge och viloläge.

Till skillnad mot standardinställt standbyläge intas djupt avstängningsläge och viloläge genom användning av speciella SPI-operationskoder. Precis som för läs- och skrivoperationer för SPI avger SPI-master operationskod (BAh) för djup avstängning (DPD) eller operationskod (B9h) för viloläge (HBN) för att kommendera F-RAM-enheten att inta motsvarande lågeffektsläge (figur 4).

Figur 4: Utvecklare kan använda standard SPI-protokoll för att försätta Cypress Semiconductor Excelon LP F-RAM-enheter i djupt avstängningsläge (DPD) eller viloläge (HIB), vilket dramatiskt reducerar strömförbrukningen men ger uppkomst till olika fördröjningar för att övergå till (t_ENTxxx) och lämna (t_EXTxxx) respektive lågeffektsläge. (Bildkälla: Cypress Semiconductor)

Effekten av dessa lågeffektslägen är dramatisk, med strömförbrukning som faller under 1 µA (tabell 1). Även om de avsevärt reducerar enhetens ström innebär dessa lägen en kompromiss som kan påverka tidskänsliga dataoperationer. Dessa operationskodsbaserade DPD- och HIB-lågeffektslägen ger ytterligare fördröjningar vad gäller den tid som krävs för att övergå till läge (t_ENTDPD eller t_ENTHIB) och den tid som krävs för att lämna läge (t_EXTDPD eller t_EXTHIB) (tabell 1 och figur 4).

Tabell 1: Strömförbrukning i effektlägen för Excelon LP F-RAM tillsammans med tillhörande fördröjning för att övergå till (t_ENTDPD eller t_ENTHIB) eller lämna (t_EXTDPD eller t_EXTHIB) operationskodsbaserat djupt avstängningsläge och viloläge. Siffrorna gäller kommersiella lågspänningsversioner med matningsspänning 1,71 till 1,89 V och drifttemperatur 0 till 70 °C. (Datakälla: Datablad för Cypress Excelon LP F-RAM)

Vid användning av operationskodsbaserade lågeffektslägen måste utvecklare balansera fördelarna med reducerad strömförbrukning i dessa lägen med den ström som förbrukas och den tid det tar att övergå till och lämna dessa lägen. Det är troligt att alla system som intar förlängda viloperioder väljer båda lägena, men det specifika valet av läge är kritiskt beroende av förväntad driftcykel för F-RAM-enhetsdrift under aktiva perioder. För F-RAM-enheter som måste drivas med hög driftcykel kan kostnaden för att upprepade gånger övergå till och lämna lågeffektsläget vara kontraproduktiv. Exempel: Cypress föreslår att alla tillämpningar med viloperiod 10 sekunder lång eller längre är utmärkta kandidater för viloläge.

Slutsats

Ett ökande behov av långvarig datalagring i batteridrivna enheter inom bärbar teknik och sakernas (IoT) internet leder till att utvecklare måste söka efter NVM-enheter som levererar strömsnål förbrukning utan prestandabegränsningar som annars är associerade med konventionella NVM-tekniker som EEPROM och flashminnen. Genom att de är uppbyggda kring den hastighet och tillförlitlighet som F-RAM-tekniken innebär, kombinerar Cypress Semiconductor Excelon strömsnåla (LP) F-RAM-enheter de reducerade strömkraven som är associerad med programmerbara lågeffektslägen, med vilka strömförbrukningen kan reduceras till under en mikroampere. Genom att använda Cypress Excelon LP F-FRAM-enheter kan utvecklare snabbt kombinera batteridriven design med långvarig datalagring som ger hastigheter som för konventionella RAM-minnen och med möjlighet att behålla data i mer än 150 år.