Brug en F-RAM til at opbygge batteridrevne enheder med langtidslagring og ultra-lavt effektforbrug

Pålidelig langtidslagring af data har vist sig som et stadig vigtigere krav i mobile batteridrevne enheder, der er designet til forbruger-, industri- og andre segmenter. Konventionelle teknologier til ikke-flygtig hukommelse (NVM) som f.eks. flashhukommelse eller elektrisk sletbart programmerbart læselager (EEPROM) har opfyldt dette behov i tidligere produktgenerationer.

Men for nutidens avancerede mobile produkter har brugernes fortsatte forventninger til længere batterilevetid markant begrænset mulighederne for at levere pålidelig lagring uden at gå på kompromis med designydelse eller strømbudgetter.

Denne artikel introducerer Cypress Semiconductors Excelon F-RAM-familie (Ferroelektrisk Random-Access Memory) og viser, hvordan den kan bruges til at imødekomme krav til pålidelig langtidslagring i batteridrevne enheder.

Udfordringer ved lagring i bærbare enheder

I design til kropsbåren elektronik (wearables), IoT-enheder og andre bærbare produkter følger behovet for omfattende, ikke-flygtig (non-volatile) lagring direkte disse produkters øgede funktionalitet. Brugernes ønske om mere omfattende information har være drivkraften bag integrationen i disse design af flere typer sensorer, der opererer ved højere opløsninger og hurtigere opdateringshastigheder. Samtidig forventer brugerne, at disse avancerede produkter giver en omfattende oversigt over historiske data og tendenser i stedet for et simpelt øjebliksbillede af de aktuelle sensordata. Enheden skal især kunne gengive dette katalog af data efter behov uden en aktiv forbindelse til skyen (cloud), smartphonen eller en anden ekstern enhed.

Designere, der forsøger at opfylde disse grundlæggende krav med konventionelle NVM-teknologier, står over for flere vanskeligheder, især i effektbegrænsede design. Skrivetider for mange NVM-teknologier er i sagens natur meget langsommere end RAM på grund af behovet for de udvidede cyklusser, der kræves for at gennemføre programmeringsprocessen. Konventionel EEPROM kan have skrivetider på flere millisekunder. Selv i avanceret flashhukommelse sænkes ydelsen af behovet for den ekstra "soak-tid", der kræves under skrivecyklusser. Længere skrivecyklusser betyder til gengæld et øget samlet strømforbrug samt reduceret dataopdateringsfrekvens. Endelig har konventionelle NVM-enheder typisk begrænsede specifikationer for skriveholdbarhed. Hvis enhederne bruges sammen med de gentagne skrivecyklusser, der kræves til rutinemæssig datalagring, kan de blive slidt op inden for produktets levetid.

For en voksende række af batteridrevne design er F-RAM NVM-enheder en enklere løsning til langtidslagring, der leverer den ønskede kombination af hastighed, holdbarhed og drift med lav effekt. Typiske F-RAM-enheder har skriveholdbarhed og skrivecyklustider, der er langt bedre end EEPROM og flashhukommelse og endda nærmer sig statisk RAM (SRAM) i hastighed. F-RAM kombinerer faktisk ydelsesfordelene ved konventionel RAM med andre NVM-teknologiers ikke-flygtige lagringsfunktionalitet. Blandt F-RAM-løsninger går Cypress Semiconductors Excelon LP (laveffekt) F-RAM-serie længere med dens evne til at imødekomme det grundlæggende krav om ultra-lavt effektforbrug i batteridrevne wearables og andre mobile produkter.

F-RAM med ultra-lav effekt

Cypress' Excelon LP F-RAM-enheder er integrerede ikke-flygtige hukommelsesdelsystemer, der kombinerer et F-RAM-array, registre, styrings- og interfacelogik samt en særlig sektor, der er designet til at bevare indhold gennem op til tre standardmæssige flydelodningscyklusser (figur 1).

Figur 1: Cypress Semiconductors Excelon LP F-RAM-enheder integrerer et F-RAM-array og støttekredsløb for at levere et komplet hukommelsesdelsystem, der er tilgængeligt via SPI-standardporte. (Billedkilde: Cypress Semiconductor)

Excelon LP F-RAM-enheder giver et niveau af pålidelighed på langt sigt, der langt overgår typisk EEPROM eller flashhukommelse. Disse enheder har holdbarhed på 10¹⁵ læse-/skrivecyklusser og dataopbevaring i 151 år, hvilket overskrider den realistiske livscyklus for enhver praktisk kropsbåren elektronik eller IoT-enhed.

Disse enheders skriveydelse forbedrer også applikationers overordnede pålidelighed. Da disse enheder skriver data til det ikke-flygtige F-RAM-array ved bushastighed, reducerer de markant risikoen for mistede data sammenlignet med andre typer NVM-enheder. I disse enheder skaber de markant længere skrivetider og det tilsvarende behov for at bufferlagre data internt et stort sårbarhedsvindue, hvor data kan gå tabt, hvis strømmen svigter, før skrivesekvensen afsluttes.

I modsætning til andre NVM-teknologier fungerer Excelon LP F-RAM-enheder ved de mindste strømniveauer, der er nødvendige for at forlænge batterilevetiden i bærbare produkter. Cypress' CY15x108QI 8 megabit (Mb) F-RAM LP-serie, der kører ved 20 megahertz (MHz), forbruger kun 1,3 milliampere (mA), mens Cypress' CY15X104QI 4 Mb F-RAM LP-serie kun forbruger 1,2 mA. Som beskrevet nedenfor mere detaljeret giver enhederne også udviklere flere muligheder for at opnå yderligere reduktioner i strømforbruget.

Medlemmer af Excelon LP-familien er designet til at støtte en bred vifte af systemkrav og fås i både kommercielle og industrielle temperaturområder samt forskellige forsyningsspændinger. 4 Mb CY15V104QI og 8 Mb CY15V108QI fungerer for eksempel med en forsyningsspænding fra 1,71 volt til 1,89 volt, mens 4 Mb CY15B104QI og 8 Mb CY15B108QI er designet til at fungere med en forsyning på 1,8 volt til 3,6 volt.

Enkelt systemdesign

Ud over at sikre en passende match med forskellige applikationers driftskrav forenkler enhederne systemdesign. I et typisk design ville udviklere bruge en SPI-bus (Serial Peripheral Interface) til at forbinde en eller flere Excelon LP F-RAM-enheder som SPI-slaver med en SPI-master som f.eks. en mikrocontroller (figur 2).

Figur 2: Udviklere kan føje langtidslagring til deres design ved blot at forbinde en eller flere af Cypress Semiconductors Excelon LP F-RAM-enheder med SPI-bussen, der styres af en SPI-master som f.eks. en mikrocontroller. (Billedkilde: Cypress Semiconductor)

Transaktioner over SPI-forbindelsesbussen er enkle og hurtige. Når Excelon LP F-RAM-enheder skriver til hukommelsen, arbejder de uden de yderligere tidligere nævnte skriveforsinkelser for flash- eller EEPROM-teknologier. Efterhånden som hver enkelt byte når enheden gennem SPI-bussen, skrives den i stedet straks til F-RAM-arrayet, hvilket markant reducerer risikoen for mistede data pga. pludseligt strømsvigt.

For systemudvikleren følger skriveprocessen en simpel SPI-protokol, der involverer SPI-operationskoder (opcodes), som er branchestandard. Værtsprocessoren starter hver enkelt skrivesekvens ved at sende en opcode (06h) om skriveaktivering (write enable – WREN), mens chipvælgerlinjen (ØCS) hæves og derefter sænkes. Efter denne korte initialiseringsfase begynder værtsprocessoren skrivehandlingen ved at sende en skrive-opcode (02h) efterfulgt af en 24-bit adresse. (De øverste fire bit i adressen ignoreres i disse enheder, men sikrer kompatibilitet med fremtidige F-RAM-enheder med højere tæthed). Umiddelbart efter afsendelse af adressen kan værtsprocessoren begynde at overføre databyte (figur 3).

Figur 3: Under den standardmæssige SPI-skrivesekvens skriver Cypress Semiconductors Excelon LP F-RAM-enheder med det samme data til F-RAM-arrayet uden nogen buffer- eller soak-tidsforsinkelser, som er knyttet til tidligere NVM-teknologier. (Billedkilde: Cypress Semiconductor)

Når værtsprocessoren sender en databyte, øger F-RAM-enheden automatisk adressen internt, så længe værtsprocessoren holder ØCS-linjen lav og fortsætter med at sende clock-signaler. Derfor kan designere bruge Excelon LP F-RAM-enheder i design, der kræver en kombination af enkeltbyte-skrivninger og blokskrivninger.

Læsehandlinger følger en tilsvarende SPI-protokol. Når ØCS er sænket, sender værtsprocessoren en læse-opcode (03h) og 24-bit adressen. Excelon LP-RAM-enheden reagerer med det samme ved at sende databytene på SO-linjen sammen med hver enkelt SCK-clock-cyklus. Ligesom skrivehandlinger fortsætter læsehandlinger, så længe værtsprocessoren holder ØCS lav og fortsat sender SCK-clock-signaler.

Forlængelse af batterilevetid

Sammen med deres enkle systemdesignkrav giver disse F-RAM-laveffektenheder udviklere mulighed for at reducere strømforbruget og forlænge batteriets levetid. Cypress CY15x10xQI-enheder er specielt udviklet til batteridrevne applikationer og integrerer indbyggede startstrømstøds-kontrolkredsløb, der reducerer de relativt store strømværdier, som typisk genereres under opstart af NVM-enheder.

Med Cypress' Excelon LP F-RAM-enheder kan udviklere også anvende forskellige strategier til at forlænge batterilevetiden i design til kropsbåren elektronik og IoT-design, der bruger sensorer til at spore det relativt langsomme fremskridt i den virkelige verden. I disse design kan Cypress' Excelon LP-RAM-enheder typisk køre med en lavere clock-frekvens, der reducerer strømforbruget. Ved drift med et clock-signal på 1 MHz falder strømforbruget på 8 Mb CY15V108QI for eksempel til 300 mikroampere (μA) fra de 1,3 mA, der anvendes ved 20 MHz. På samme måde kræver 4 Mb CY15V104QI kun 200 μA ved 1 MHz sammenlignet med 1,2 mA ved 20 MHz.

Ved hjælp af særlige laveffekttilstande, der er tilgængelige med Excelon LP F-RAM-enheder, kan udviklere minimere systemets strømforbrug yderligere under de varierende inaktive perioder, der rutinemæssigt forekommer i applikationer med kropsbåren elektronik og IoT. Disse F-RAM-enheder understøtter tre tilstande med reduceret effekt, der gør det muligt for udviklere at afveje svartid i forhold til reduceret strømforbrug.

Enhederne aktiverer automatisk den første laveffekttilstand, standby-tilstand, når ØCS hæves for at afslutte en SPI-sekvens. Omvendt afslutter enhederne automatisk standby-tilstand, når ØCS sænkes for at starte en ny SPI-sekvens. I standby-tilstand forbruger 8 Mb CY15V108QI Excelon LP F-RAM kun 3,5 μA, og 4 Mb CY15V104QI kræver kun 2,3 μA.

Standby-tilstand giver øjeblikkelig, automatisk strømreduktion uden at pålægge yderligere forsinkelser for at vende tilbage til normal aktiv tilstand. For applikationer med længere inaktive perioder reducerer selv dette strømforbrug imidlertid batterilevetiden unødigt på langt sigt. I disse tilfælde leverer Excelon LP F-RAM-enheder to ekstra laveffekttilstande: DPD-tilstand (Deep Power Down) og dvaletilstand.

I modsætning til den standardmæssige standby-tilstand aktiveres DPD- og dvaletilstand udtrykkeligt via brugen af særlige SPI-opcodes. I lighed med SPI-læse-/skrivehandlinger udsteder SPI-masteren en DPD-opcode (BAh) eller dvale-opcode (HBN) (B9h) for at indstille F-RAM-enheden til at aktivere den tilsvarende laveffekttilstand (figur 4).

Figur 4: Udviklere kan bruge standardmæssige SPI-protokoller til at sætte Cypress Semiconductors Excelon LP F-RAM-enheder i DPD- (Deep Power Down) eller dvaletilstand (HIB), der reducerer strømforbruget markant, men pådrager sig forskellige forsinkelser for at aktivere (t_ENTxxx) og afslutte (t_EXTxxx) den pågældende laveffekttilstand. (Billedkilde: Cypress Semiconductor)

Effekten af disse laveffekttilstande er dramatisk med et strømforbrug, der falder til under 1 μA (tabel 1). Selvom de reducerer enhedens strøm markant, følger der et kompromis med disse tilstande, der kan påvirke tidsfølsomme datahandlinger. De opcode-baserede DPD- og HIB-laveffekttilstande pålægger yderligere forsinkelser, der er knyttet til den tid, der kræves for at aktivere tilstanden (t_ENTDPD eller t_ENTHIB), og den tid, der kræves for at afslutte tilstanden (t_EXTDPD eller t_EXTHIB) (tabel 1 og figur 4).

Tabel 1: Strømforbrug i Excelon LP F-RAM-effekttilstande sammen med tilknyttede forsinkelser for at aktivere (t_ENTDPD eller t_ENTHIB) eller afslutte (t_EXTDPD eller t_EXTHIB) opcode-baseret DPD- (Deep Power Down) og dvaletilstand. Tal er relateret til kommercielle lavspændingsversioner med et forsyningsområde på 1,71 volt til 1,89 volt og et driftstemperaturområde på 0 °C til + 70 °C. (Datakilde: Cypress Excelon LP F-RAM-datablade)

Ved brug af opcode-baserede laveffekttilstande skal udviklere afbalancere fordelene ved reduceret strømforbrug i disse tilstande mod brugt strøm og den tid, der kræves for at aktivere og afslutte dem. Ethvert system, der har længere inaktive perioder, er en sandsynlig kandidat til begge tilstande, men det specifikke valg af tilstand afhænger kritisk af den driftscyklus, der forventes til F-RAM-enhedshandlinger i aktive perioder. For F-RAM-enheder, der skal operere med en høj driftscyklus, kan omkostningerne ved gentagen aktivering og afslutning af en laveffekttilstand være kontraproduktive. Cypress foreslår for eksempel, at enhver anvendelse med en inaktiv periode på 10 sekunder eller mere er en fremragende kandidat til dvaletilstand.

Konklusion

Med et stigende behov for langtidslagring af data i batteridrevne wearables og IoT-enheder giver udviklere sig i kast med at søge efter NVM-enheder, der har lavt effektforbrug uden de ydelsesbegrænsninger, der er knyttet til konventionelle NVM-teknologier som f.eks. EEPROM og flashhukommelse. Med udgangspunkt i F-RAM-teknologiens iboende hastighed og pålidelighed kombinerer Cypress Semiconductors Excelon LP F-RAM-enheder med lav effekt deres iboende reducerede strømkrav med programmerbare laveffekttilstande, der kan bringe deres strømforbrug ned til mindre end én mikroampere. Med Cypress' Excelon LP F-RAM-enheder kan udviklere hurtigt supplere batteridrevne design med langtidslagring af data, der har samme hastighed som konventionel RAM, og mulighed for pålidelig lagring af data i mere end 150 år.