盡管 EEPROM 和閃存通常是大多數(shù)應(yīng)用中非易失性存儲器 （NVM） 的首選，但鐵電 RAM （FRAM） 為能量收集應(yīng)用中的許多低功耗設(shè)計(jì)提供了明顯的優(yōu)勢，例如無線傳感器節(jié)點(diǎn)、智能電表、和其他數(shù)據(jù)記錄設(shè)計(jì)。憑借其延長的寫入周期耐久性和數(shù)據(jù)保留時(shí)間，F(xiàn)RAM 技術(shù)可以幫助設(shè)計(jì)人員使用賽普拉斯半導(dǎo)體、富士通半導(dǎo)體、羅姆半導(dǎo)體等制造商提供的可用 FRAM IC 和基于 FRAM 的 MCU 滿足長達(dá)十年的低功耗 NVM 操作要求和德州儀器。

　　傳統(tǒng)的 NVM，例如閃存和 EEPROM，以電荷載流子的形式將數(shù)據(jù)存儲在浮柵中，這需要電荷泵將電壓提升到迫使載流子通過柵極氧化物所需的水平。因此，加上這些設(shè)備固有的長寫入延遲和高功耗，它們的高壓寫入操作最終會磨損單元 - 有時(shí)只需 10，000 次寫入周期。

　　FRAM 優(yōu)勢

　　相比之下，鐵電 RAM （FRAM） 通過鐵電材料鋯鈦酸鉛或 PZT （Pb （ZrTi）O 3 ） 的極化來存儲數(shù)據(jù)，該材料作為薄膜放置在兩個(gè)電極之間，類似于電容器的結(jié)構(gòu)。 與 DRAM 一樣，F(xiàn)RAM 陣列中的每個(gè)位都是單獨(dú)讀取和寫入的，但 DRAM 使用晶體管和電容器來存儲位，而 FRAM 使用由施加電場引起的相應(yīng)位的晶體結(jié)構(gòu)中的偶極位移穿過電極（圖 1）。因?yàn)樵陔妶鲆瞥筮@種極化仍然存在，所以即使沒有可用電源，F(xiàn)RAM 數(shù)據(jù)也會無限期地持續(xù)存在——這對于由不確定環(huán)境源供電的設(shè)計(jì)來說是一項(xiàng)至關(guān)重要的能力。

　　圖 1：在 FRAM 單元中，數(shù)據(jù)存儲為由在 PZT 薄膜上施加電場引起的極化狀態(tài) - 這種方法可以延長數(shù)據(jù)保留時(shí)間并消除浮柵技術(shù)中遇到的磨損。（富士通半導(dǎo)體提供）

　　除了實(shí)現(xiàn) FRAM 的非易失性外，晶體極化的使用還比基于電荷存儲的技術(shù)具有許多優(yōu)勢（見表 1）。由于它避免了浮柵技術(shù)的潛在退化效應(yīng)，F(xiàn)RAM 存儲器的壽命及其在斷電時(shí)保留數(shù)據(jù)的能力幾乎是無限的。例如，富士通半導(dǎo)體MB85R1001A和 ROHM Semiconductor MR48V256A等 FRAM 存儲器件都規(guī)定了 10 年的數(shù)據(jù)保留性能。

　　表 1：FRAM 與其他內(nèi)存技術(shù)的比較。（富士通半導(dǎo)體提供）

　　通過消除對浮柵存儲器技術(shù)所需的電荷泵的需求，F(xiàn)RAM 可以在 3.3 V 或更低的典型電源范圍內(nèi)工作。此外，與存儲電荷存儲設(shè)備不同，F(xiàn)RAM 設(shè)備對 α 粒子具有抵抗力，并且通常表現(xiàn)出低于可檢測極限的軟錯(cuò)誤率 （SER）。

　　設(shè)計(jì)影響

　　FRAM 優(yōu)勢的影響會影響系統(tǒng)設(shè)計(jì)，例如無線傳感器節(jié)點(diǎn)，這些系統(tǒng)需要結(jié)合高速寫入和低功耗操作。例如，憑借其高速率，設(shè)計(jì)人員可以使用單個(gè) FRAM 器件，而他們可能需要多個(gè)并行排列的 EEPROM 器件來實(shí)現(xiàn)可接受的數(shù)據(jù)寫入吞吐率。在那些 EEPROM 設(shè)計(jì)中，當(dāng)一個(gè) EEPROM 設(shè)備完成其寫入周期時(shí)，控制器將按順序在下一個(gè) EEPROM 設(shè)備上啟動(dòng)寫入操作，依此類推。然而，使用 FRAM，所有寫入都以隨機(jī)訪問的總線速度發(fā)生，沒有基于內(nèi)存的延遲或其他寫入減慢。因此，與閃存相比，F(xiàn)RAM 存儲器的寫入速度通常要快得多，而且能耗要求要低得多。

　　設(shè)計(jì)人員還可以消除確保數(shù)據(jù)完整性所需的電源備份策略的需要。對于 EEPROM 系統(tǒng)，當(dāng)檢測到電源故障時(shí)，存儲器控制器必須完成一個(gè)完整的寫入周期以達(dá)到所需的數(shù)據(jù)塊大小——需要額外的能量存儲來確保基于 EEPROM 的設(shè)計(jì)中的寫入周期完成。憑借其快速的循環(huán)時(shí)間，即使在突然斷電的情況下，F(xiàn)RAM 也能夠完成寫入過程，從而確保數(shù)據(jù)完整性，而無需復(fù)雜的電源備份方法。

　　在應(yīng)用層面，F(xiàn)RAM 的快速寫入速度和低功耗運(yùn)行還支持在無線傳感器或電能表等能量收集應(yīng)用中進(jìn)行連續(xù)測量。在給定的功率預(yù)算下，與其他 NVM 技術(shù)相比，F(xiàn)RAM 設(shè)備將能夠以更精細(xì)的粒度完成更多的讀/寫周期。

　　FRAM 還為開發(fā)人員提供了統(tǒng)一的內(nèi)存架構(gòu)，支持代碼和數(shù)據(jù)的靈活分區(qū)，并允許更簡單、更小的單芯片內(nèi)存解決方案。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以使用簡單的寫保護(hù)電路輕松保護(hù)存儲在 FRAM 中的代碼免受意外寫入，從而為基于 FRAM 的設(shè)計(jì)提供可編程的塊寫保護(hù)功能（圖 2，HC151 多路復(fù)用器）。

　　圖 2：設(shè)計(jì)人員可以使用 HC151 等低功耗多路復(fù)用器來實(shí)現(xiàn)簡單的與地址相關(guān)的寫使能功能，以保護(hù)存儲在 FRAM 器件中的代碼。（由賽普拉斯半導(dǎo)體提供）

　　設(shè)備配置

　　設(shè)計(jì)人員可以找到支持并行、SPI 串行或 I 2 C/2 線串行接口的 FRAM 存儲器。例如，除了并行 1Mb MB85R1001A FRAM 外，F(xiàn)ujitsu 還提供 1Mb SPI 串行設(shè)備MB85RS1MT，使設(shè)計(jì)人員能夠在典型的 SPI 主/從配置中使用任意數(shù)量的設(shè)備（圖 3）。除了在比并行同類產(chǎn)品更低的電源電壓下運(yùn)行外，串行 FRAM 器件還為空間受限的設(shè)計(jì)提供更小的封裝選項(xiàng)。例如，ROHM Semiconductor 的 32K SPI 串行MR45V032A采用 8 引腳塑料小外形封裝 （SOP），寬度僅為 0.154“ 和 3.90 mm。

　　圖 3：富士通 MB85RS1MT 等設(shè)備允許對配備 SPI 的 MCU 使用熟悉的主/從配置 - 或使用使用設(shè)備的 SI 和 SO 端口的簡單總線連接解決方??案進(jìn)行非基于 SPI 的設(shè)計(jì)。（富士通半導(dǎo)體提供）

　　FRAM 技術(shù)的優(yōu)勢延伸到 MCU，例如帶有片上 FRAM 的德州儀器 MSP430FR MCU 系列。在 MCU 中，F(xiàn)RAM 的高速操作可加快整體處理速度，允許全速寫入非易失性存儲器，而不是強(qiáng)制 MCU 進(jìn)入等待狀態(tài)或阻塞中斷。TI 的 FRAM MCU 系列從MSP430FR5739等器件擴(kuò)展到其全功能MSP430FR5969系列。MSP430 系列中最小的器件，MSP430FR5739 采用 24 引腳 2 x 2 裸片大小的球柵陣列 （DSBGA），但還包括五個(gè)定時(shí)器、一個(gè) 12 通道 10 位 ADC 和直接存儲器訪問（DMA） 用于最大限度地縮短活動(dòng)模式下的時(shí)間。

　　TI 的 MSP430FR5969 是該公司功耗最低的 MCU，具有大量片上 FRAM 存儲（圖 4）。在活動(dòng)模式下，MCU 在啟用實(shí)時(shí)時(shí)鐘 （RTC） 的情況下僅需要 100 μA/MHz 的活動(dòng)模式電流和 450 nA 的待機(jī)模式電流。該系列中的器件包括一套全面的外設(shè)和一個(gè)能夠進(jìn)行單輸入或差分輸入操作的 16 通道 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC）。這些 MCU 還具有 256 位高級加密標(biāo)準(zhǔn) （AES） 加速器和知識產(chǎn)權(quán) （IP） 封裝模塊，用于保護(hù)關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

　　圖 4：Texas Instruments MSP430FR5969 MCU 將完整的外設(shè)與片上 FRAM 存儲相結(jié)合，同時(shí)僅需要 100 μA/MHz 的活動(dòng)模式電流，并且由于其多種低功耗模式 （LPM） 而顯著降低。 （德州儀器提供）

　　結(jié)論

　　FRAM 設(shè)備提供具有 10 年數(shù)據(jù)保留時(shí)間的非易失性存儲，而所需功率僅為熟悉的閃存和 EEPROM 替代品的一小部分。使用可用的基于 FRAM 的內(nèi)存和 MCU 設(shè)備，工程師可以將這些強(qiáng)大的設(shè)備構(gòu)建到低功耗能量收集應(yīng)用程序中，并確信它們能夠運(yùn)行多年并在間歇性斷電的情況下保持長期數(shù)據(jù)。