Bruk en F-RAM til å bygge batteridrevne enheter med langtidslagring og ekstra lav effekt

Pålitelig langtidslagring av data har vist seg som et stadig viktigere krav i mobile batteridrevne enheter laget for forbrukere, industrien og andre segmenter. Konvensjonelle ikke-flyktige minneteknologier (NVM), som flash-minne eller programmerbart skrivebeskyttet minne som kan slettes elektronisk (EEPROM), har vært brukt til dette i eldre produktgenerasjoner.

I dagens avanserte mobile produkter har imidlertid brukernes forventninger til utvidet batterilevetid betydelig begrenset alternativene som kan levere pålitelig lagring uten å redusere designytelsen eller strømbudsjettet.

I denne artikkelen introduseres Cypress Semiconductor Excelon-serien med ferroelektrisk skrive-lese-lager med valgfri tilgang (F-RAM), og viser hvordan den kan brukes til å oppfylle kravene til pålitelig langtidslagring i batteridrevne enheter.

Lagringsutfordringer i bærbare enheter

Ved design av kroppsbårne enheter (wearables), IoT-enheter og andre bærbare produkter, er det nesten like viktig med stor ikke-flyktig lagring som med forbedrede egenskaper for disse produktene. Brukernes ønske om mer omfattende informasjon har bidratt til at flere typer sensorer som arbeider med høyere oppløsninger og raskere oppdateringsfrekvenser har blitt integrert i disse designene. Brukere forventer også at disse sofistikerte produktene tilbyr en omfattende visning av historiske data og trender, heller enn et enkelt øyeblikksbilde av strømsensordata. Enheten må være spesielt egnet til å produsere denne datakatalogen ved behov, uten en aktiv tilkobling til nettskyen, smarttelefonen eller en annen ekstern enhet.

Designere som prøver å oppfylle disse grunnleggende kravene med konvensjonelle NVM-teknologier, står overfor flere problemer, spesielt ved strømbegrensede designer. Skrivetidene for mange NVM-teknologier er mye tregere enn RAM på grunn av behovet for utvidede sykluser som er nødvendig for å fullføre programmeringsprosessen. Konvensjonell EEPROM kan ha skrivetider på flere millisekunder. Selv i avanserte Flash-minner reduseres ytelsen når skrivesykluser trenger ekstra «ladetid». Dette resulterer i at lengre skrivesykluser øker det samlede strømforbruket, samt reduserer hastigheten for dataoppdatering. Konvensjonelle NVM-enheter har også vanligvis begrensede spesifikasjoner for skriveutholdenhet. Hvis det brukes med gjentatte skrivesykluser som er nødvendig for rutinemessig datalagring, kan enhetene slites ut i løpet av produktets levetid.

F-RAM NVM-enheter har en enklere løsning for langtidslagring som gir den nødvendige kombinasjonen av hastighet, utholdenhet og laveffektsoperasjon for et voksende utvalg av batteridrevne enheter. Vanlige F-RAM-enheter har skriveutholdenhets- og skrivesyklustider som er mye bedre enn EEPROM- og Flash-minne, og som til og med nærmer seg statisk RAM (SRAM) i hastighet. F-RAM kombinerer egentlig ytelsesfordelene til konvensjonell RAM med den ikke-flyktige lagringskapasiteten til andre NVM-teknologier. Cypress Semiconductor Excelon LP (laveffekt) F-FRAM-serien er den serien blant F-RAM-løsningene som i størst grad oppfyller det grunnleggende kravet til ekstra lavt effektforbruk i batteridrevne, kroppsbårne enheter og andre mobile produkter.

F-RAM med ekstra lav effekt

Cypress Excelon LP F-RAM-enheter er integrerte, ikke-flyktige minnedelsystemer som kombinerer en F-FRAM-matrise, registre, kontroll- og grensesnittlogikk, samt en spesiell sektor utformet for å bevare innholdet i opptil tre standard påsmeltingsloddingssykluser (figur 1).

Figur 1: Cypress Semiconductor Excelon LP F-RAM-enheter integrerer en F-RAM-matrise og støtter kretser for å gi et komplett minnedelsystem som er tilgjengelig via standard SPI-porter. (Bildekilde: Cypress Semiconductor)

Excelon LP F-FRAM-enheter har langvarig pålitelighet som overgår vanlig EEPROM- eller Flash-minne. Disse enhetene har en utholdenhet på 10¹⁵ lese-/skrivesykluser og datalagring på 151 år. Dette overskrider den realistiske livssyklusen til andre kroppsbårne enheter eller IoT-enheter.

Skriveytelsen til disse enhetene forbedrer også den generelle påliteligheten til anvendelser. Da disse enhetene skriver data til den ikke-flyktige F-RAM-matrisen ved busshastighet, reduserer de muligheten til å miste data sammenlignet med andre typer NVM-enheter. I disse enhetene er skrivetiden betydelig lengre, og tilsvarende behov for å bufre data internt fører til større sjanse for at du mister data ved strømbrudd før skrivesekvensen er ferdig.

I motsetning til andre NVM-teknologier, fungerer Excelon LP F-FRAM-enheter ved de minimale strømnivåene som er nødvendig for å forlenge batterilevetiden i bærbare produkter. Cypress CY15x108QI 8 Mb F-RAM LP-serien bruker 1,3 milliampere (mA), mens Cypress CY15X104QI 4 Mb F-RAM LP-serien kun bruker 1,2 mA når de driftes ved 20 megahertz (MHz). Enhetene gir også utviklere flere alternativer for å oppnå ytterligere reduksjoner i strømforbruk, som beskrevet nedenfor.

Produkter i Excelon LP-serien er utformet for å støtte et bredt spekter av systemkrav, og er tilgjengelig i både kommersielle og industrielle temperaturområder samt i ulike forsyningsspenninger. 4 Mb CY15V104QI og 8 Mb CY15V108QI driftes for eksempel med en forsyningsspenning fra 1,71 volt til 1,89 volt, mens 4 Mb CY15B104QI og 8 Mb CY15B108QI er utviklet for å driftes med en 1,8 volt til 3,6 volt forsyning.

Enkel systemdesign

I tillegg til å sikre samsvar med driftskravene til ulike anvendelser, forenkler enhetene systemdesignen. Med en vanlig design kan utviklerne bruke en serielt periferigrensesnitt (SPI)-buss til å koble én eller flere Excelon LP F-RAM-enheter som SPI-slaver til en SPI-master, for eksempel en mikrostyring (figur 2).

Figur 2: Utviklere kan enkelt legge til langtidslagring i designene sine ved å koble én eller flere Cypress Semiconductor Excelon LP F-RAM-enheter til SPI-bussen som kontrolleres av en SPI-master, for eksempel en mikrostyring. (Bildekilde: Cypress Semiconductor)

Overføringer på tvers av den sammenkoblede SPI-bussen er raskt og enkelt. Når du skriver til minnet, arbeider Excelon LP F-RAM-enhetene uten de ekstra skriveforsinkelsene som kan oppstå med Flash- eller EEPROM-teknologier. Etter hvert som hver byte når enheten gjennom SPI-bussen, skrives den i stedet umiddelbart til F-RAM-matrisen, noe som reduserer risikoen for at du mister data på grunn av plutselig strømbrudd.

For systemutvikleren følger skriveprosessen en enkel SPI-protokoll som involverer bransjestandardiserte SPI-driftskoder (driftskoder – opcodes). Vertsprosessoren starter hver skrivesekvens med å overføre en driftskode (06h) for skriveaktivering (WREN) samt å heve og deretter senke chip select (ØCS)-linjen. Etter denne korte initialiseringsfasen starter vertsbehandleren skriveoperasjonen ved å sende en skrivedriftskode (02h) etterfulgt av en 24-biters adresse. (De øverste fire bitene av adressen ignoreres i disse enhetene, men sikrer kompatibilitet med fremtidige F-RAM-enheter med høyere tetthet.) Vertsprosessoren kan begynne å overføre databit umiddelbart etter at den har sendt adressen (figur 3).

Figur 3: I løpet av en standard SPI-skrivesekvens, skriver Cypress Semiconductor Excelon LP F-RAM-enheter data umiddelbart til F-RAM-matrisen, uten bufringen eller ladetidsforsinkelsene som er knyttet til tidligere NVM-teknologier. (Bildekilde: Cypress Semiconductor)

Når vertsprosessoren sender en databit, øker F-RAM-enheten automatisk adressen internt så lenge vertsprosessoren holder ØCS-linjen lav og fortsetter å overføre taktsignaler. Dermed kan designere bruke Excelon LP F-RAM-enheter i designer som krever en kombinasjon av énbitskrivinger og blokkskrivinger.

Leseoperasjoner følger en lignende SPI-protokoll. Når ØCS har blitt senket, overfører vertsprosessoren en lesedriftskode (03h) og en 24-biters adresse. Excelon LP F-RAM-enheten svarer umiddelbart ved å overføre databyte på SO-linjen med hver SCK-taktsyklus. I likhet med skriveoperasjoner fortsetter leseoperasjoner så lenge vertsprosessoren holder ØCS lav og fortsetter å sende SCK-takter.

Forlenge batterilevetiden

I tillegg til de enkle kravene til systemdesign, gir disse F-RAM-enhetene for lav effekt utviklerne alternativer til å redusere strømforbruket og forlenge batterilevetiden. Cypress CY15x10xQI-enheter er spesielt utformet for batteridrevne anvendelser, og integrerer innebygde kontrollkretser for innkoplingsstrømstøt som reduserer de relativt store strømmene som vanligvis genereres når du slår på NVM-enheter.

Med Cypress Excelon LP F-RAM-enheter kan også utviklere bruke ulike strategier til å forlenge batterilevetiden i kroppsbårne designer og IoT-designer som bruker sensorer til å spore den relativt langsomme utviklingen av virkelige hendelser. I disse designene kan Cypress Excelon LP F-RAM-enheter vanligvis betjenes ved en lavere taktfrekvens som reduserer strømforbruket. Hvis for eksempel det arbeides med en 1 MHz takt, senkes strømforbruket for 8 Mb CY15V108QI til 300 mikroampere (μA) fra 1,3 mA når den brukes ved 20 MHz. På samme måte krever 4 Mb CY15V104QI kun 200-μA ved 1 MHz, sammenlignet med 1,2 mA ved 20 MHz.

Ved hjelp av spesielle laveffektmoduser som er tilgjengelige med Excelon LP F-RAM-enheter, kan utviklere minimere systemets effektforbruk enda mer under de varierende inaktive periodene som oppstår regelmessig i kroppsbårne anvendelser og IoT-anvendelser. Disse F-RAM-enhetene støtter tre reduserte strømmoduser som gjør det mulig for utviklere å prioritere redusert strømforbruk over responstid.

Enhetene starter automatisk i den første laveffektmodusen, ventemodus, når ØCS heves for å avslutte en SPI-sekvens. I motsatt fall avslutter enhetene ventemodus automatisk når ØCS senkes for å starte en ny SPI-sekvens. I standbymodus bruker 8 Mb CY15V108QI Excelon LP F-RAM bare 3,5 μA og 4 MB-CY15V104QI krever kun 2,3 μA.

Ventemodus gir umiddelbar, automatisk strømreduksjon uten ytterligere forsinkelser for å gå tilbake til normalt aktivt modus. For anvendelser med lengre, inaktive perioder, reduserer selv dette strømforbruket batterilevetiden unødvendig på lang sikt. I disse tilfellene har Excelon LP F-RAM-enheter to ekstra laveffektmoduser: effektsparingsmodus og dvalemodus.

I motsetning til standard ventemodus, angis strømsparingsmodus og dvalemodus eksplisitt via bruk av spesielle SPI-driftskoder. På samme måte som å lese og skrive SPI-operasjoner, kan SPI-masteren igangsette en driftskode (BAh) for strømsparing (DPD) eller en driftskode (B9h) for dvalemodus (HBN) for å få F-RAM-enheten til å settes i laveffektmodus (figur 4).

Figur 4: Utviklere kan bruke standard SPI-protokoller til å sette Cypress Semiconductor Excelon LP F-RAM-enheter i strømsparings- (DPD) eller dvalemodus (HIB). Dette reduserer strømforbruket dramatisk, men forårsaker ulike forsinkelser for å starte (t_ENTxxx) og avslutte (t_EXTxxx) den respektive laveffektmodusen. (Bildekilde: Cypress Semiconductor)

Effekten av disse laveffektmodusene er stor, da effektforbruket reduseres til under 1 μA (tabell 1). Selv om de reduserer enhetens strømforbruk betydelig, har disse modusene inngått et kompromiss som kan påvirke tidskritiske dataoperasjoner. Driftskodebaserte DPD- og HIB-laveffektmoduser gir ytterligere forsinkelser knyttet til tiden det tar å starte modusen (t_ENTDPD eller t_ENTHIB) og tiden det tar å avslutte modusen (t_EXTDPD eller t_EXTHIB) (Table 1 & Figure 4)

Tabell 1: Strømforbruk i Excelon LP F-RAM-strømmoduser samt tilknyttede forsinkelser for å starte (t_ENTDPD eller t_ENTHIB) eller avslutte (t_EXTDPD eller t_EXTHIB) driftskodebaserte strømsparings- og dvalemoduser. Tall relatert til kommersielle lavspenningsversjoner med 1,71 volts til 1,89 volts forsyningsområde og driftstemperaturområde på 0 °C til +70 °C. (Datakilde: Cypress Excelon LP F-RAM-datablad)

Ved bruk av driftskodebaserte laveffektmoduser må utviklere veie opp fordelene med redusert strømforbruk i disse modusene, mot hvor mye strøm som konsumeres og tiden det tar å starte og avslutte dem. Alle systemer som går inn i lengre, inaktive perioder er sannsynligvis en kandidat for disse modusene, men det spesifikke valget av modus avhenger av driftssyklusen som forventes av F-RAM-operasjoner i aktive perioder. På F-RAM-enheter som må driftes med en høy driftssyklus, kan kostnadene for å starte og avslutte laveffektmodus gjentatte ganger virke mot sin hensikt. Cypress foreslår for eksempel at alle programmer med en inaktiv periode på ti sekunder eller mer er en utmerket kandidat for dvalemodus.

Konklusjon

Et økende behov for langtidslagring av data i batteridrevne, kroppsbårne enheter og IoT-enheter, gjør at utviklere leter etter NVM-enheter som har lavt effektforbruk uten ytelsesbegrensningene som er forbundet med konvensjonelle NVM-teknologier, for eksempel EEPROM- og Flash-minne. Cypress Semiconductor Excelon laveffekts (LP) F-RAM-enheter bygger videre på den iboende hastigheten og påliteligheten til F-RAM-teknologien, og kombinerer de iboende reduserte strømkravene med programmerbare laveffektmoduser som reduserer strømforbruket til mindre enn én mikroamp. Med Cypress Excelon LP F-FRAM kan utviklere raskt supplere batteridrevne design med langtidslagring av data som har hastigheten til et konvensjonelt RAM og muligheten til å lagre data på en pålitelig måte i over 150 år.