CC BY
182Микросхемы памяти FRAM
для современных электронных средств
Артем Козлов
artem kozlov@bis-el.kiev.ua
Измерительная техника должна быть многофункциональной и малопотребляющей. Компания Ramtron предлагает микросхемы FRAM-памяти для применения в современных измерительных приборах. Изделия этой компании отличаются большим ресурсом работы, простотой использования и низким энергопотреблением. Благодаря этому они идеально подойдут для применения в различных бытовых счетчиках, системах автоматического съема данных (AMR), таксометрах, игровых и торговых автоматах и других устройствах.
введение
Потребление электроэнергии во всем мире непрерывно растет. В связи с этим повышается спрос на новаторские решения для измерения энергии и рационального управления энергопотреблением. Современные инженерные решения в области микроэлектроники требуют производительных, надежных и экономных по питанию электронных компонентов. Компания Ramtron предлагает микросхемы сегнетоэлектрической памяти FRAM (Ferroelectric RAM).
FRAM представляет собой запоминающее устройство, которое по своему строению схоже с DRAM, но использует слой сегнето-электрика вместо диэлектрического слоя для обеспечения энергонезависимости. Это отличная альтернатива технологиям энергонезависимой памяти, с такой же функциональностью, как у Flash-памяти.
Микросхемы FRAM-памяти с успехом заменяют память EEPROM, Flash или SRAM. Основные свойства FRAM таковы, что с ее внедрением удается заметно повысить эффективность и надежность работы системы в целом, а энергопотребление снизить до минимально возможного уровня, согласно современным стандартам энергосбережения.
Главные преимущества FRAM по сравнению с другими типами памяти:
• Отсутствие задержки в цикле записи: чтение и запись происходит на скорости шины обмена данными.
• Микросхемы FRAM совместимы по выводам с микросхемами памяти других типов. Можно легко заменить микросхемы EEPROM, Flash или SRAM на FRAM, а также заменить одним модулем FRAM комбинацию устройств ОЗУ-ПЗУ.
• Энергонезависимый длительный срок хранения информации (>10 лет).
Промышленный рабочий диапазон температур: -40...+85 °С.
Низкое энергопотребление при чтении и записи — около 15 мА (в режиме ожидания — не более 15 мкА).
Таблица 1. Микросхемы FRAM-памяти с последовательным интерфейсом
Наименование Емкость, бит Е I Интерфейс ea =>c E Корпус
FM24V10 1M 3,4 I2C 2,0-3,6 1 мА SOIC-8
FM24V05 512K 3,4 I2C 2,0-3,6 1 мА SOIC-8
FM24C512 512K 1 I2C 5 1,5 мА SOIC-8E
FM24L256 256K 1 I2C 2,7-3,6 0,6 мА SOIC-8
FM24V02 256K 3,4 I2C 2,0-3,6 1 мА SOIC-8
FM24C256 256K 1 I2C 5 1,2 мА SOIC-8E
FM24CL64 64K 1 I2C 2,7-3,6 0,4 мА О Z °о со “
FM24C64 64K 1 I2C 4,5-5,.5 1,2 мА SOIC-8
FM24CL32 32K 1 I2C 2,7-3,6 0,6 мА SOIC-8
FM24CL16 16K 1 I2C 2,7-3,6 0,4 мА О Z °о со “
FM24C16A 16K 1 I2C 4,5-5.5 1 мА SOIC-8
FM24CL04 4K 1 I2C 2,7-3,6 0,3 мА SOIC-8
FM24C04A 4K 1 I2C 4,5-5.5 1 мА SOIC-8
FM25H20 2M 40 SPI 2,7-3,6 10 мА SOIC-8E, TDFN-8
FM25V10 1M 40 SPI 2,0-3,6 3 мА SOIC-8
FM25V05 512K 40 SPI 2,0-3,6 3 мА SOIC-8
FM25L512 512K 20 SPI 3,0-3,6 12 мА TDFN-8
FM25V02 256K 40 SPI 2,0-3,6 2,5 мА О Z Оо SD
FM25256 256K 15 SPI 4,5-5.5 15 мА SOIC-8
FM25L256 256K 25 SPI 2,7-3,6 10 мА SOIC-8, DFN-8
FM25CL64 64K 20 SPI 2,7-3,6 10 мА SOIC-8, DFN-8
FM25CL64-GA 64K 16 SPI 3,0-3,6 7 мА SOIC-8
FM25640 64K 5 SPI 4,5-5,5 3 мА SOIC-8
FM25640-GA 64K 4 SPI 4,5-5,5 2,7 мА SOIC-8
FM25C160 16K 20 SPI 4,5-5,5 8 мА SOIC-8
FM25C160-GA 16K 15 SPI 2,7-3,6 6,5 мА SOIC-8
FM25L16 16K 18 SPI 2,7-3,6 5,5 мА SOIC-8, DFN-8
FM25L16-GA 16K 15 SPI 3,0-3,6 5,5 мА SOIC-8
FM25040A 4K 20 SPI 4,5-5,5 8 мА SOIC-8
FM25040A-GA 4K 14 SPI 4,5-5,5 6 мА SOIC-8
FM25L04 4K 14 SPI 2,7-3,6 3 мА SOIC-8, DFN-8
FM25L04-GA 4K 10 SPI 2,7-3,6 2,2 мА SOIC-8
• Допустимое число циклов перезаписи (до 1016) позволяет производить запись по каждому адресу с частотой миллион раз в секунду в течение нескольких сотен лет без ухудшения технических характеристик. Сегнетоэлектрическая память компании Ramtron идеально подойдет для применения в приборах, которые требуют высокого быстродействия, надежной работы и возможности хранения данных при отсутствии внешнего источника питания.
До недавнего времени основным недостатком микросхем FRAM-памяти считалась сравнительно низкая плотность размещения данных и в связи с этим ограниченная емкость этих микросхем. Но в последние пару лет компании Ramtron удалось повысить значение емкости своих микросхем до уровня 8 Мбит, и это далеко еще не предел возможностей производителя. Развитие номенклатуры выпускаемых изделий продолжается, в связи с чем потребители ожидают появления в скором будущем более мощных новых устройств от компании Ramtron.
Таблица 2. Микросхемы FRAM-памяти с параллельным интерфейсом
Наимено- вание Емкость, бит время доступа, нс в =>c 3 E Корпус
FM23MLD16 8 М (512Kx 16) 60 2,7-3,6 14 мА FBGA-48
FM22L16 4 М (256Kx 16) 55 2,7-3,6 18 мА TSOPII-44
FM22LD16 4 М (256Kx 16) 55 2,7-3,6 12 мА FBGA-48
FM21L16 2 М (128Kx16) 60 2,7-3,6 12 мА TSOPII-44
FM21LD16 2 М (128Kx16) 60 2,7-3,6 12 мА FBGA-48
FM28V100 1 М (128Kx8) 60 2-3,6 12 мА TSOP-32
FM20L08 1 М (128Kx8) 60 3-3,63 22 мА TSOP-32
FM28V020 256 K (32Kx8) 60 2-3,6 12 мА SOIC-28, TSOP-32
FM18L08 256 K (32Kx8) 70 3-3,65 15 мА SOIC-28, DIP-28
FM1808 256 K (32Kx8) 70 25 мА SOIC-28, DIP-28
FM1608 64 K (8Kx8) 120 15 мА SOIC-28, DIP-28
В таблицах 1 и 2 представлен перечень выпускаемых на сегодня компанией Ramtron микросхем FRAM-памяти и их основные технические параметры.
Микросхемы марки V-Family
На рис. 1 показана одна из новых микросхем марки V-Family — FM25V10 (1 Мбит SPI FRAM). Изделия этой марки выделяются своей повышенной скоростью работы, а также пониженным энергопотреблением.
Рис. 1. Микросхема марки V-Family в корпусе SOIC-8
Микросхемы V-Family в активном режиме потребляют ток меньше 150 мкА, в режиме ожидания <90 мкА, а в спящем режиме — <5 мкА. Они поддерживают функцию быстрого доступа (NoDelay) и характеризуются практически неограниченным числом циклов чтения/записи.
Эти микросхемы выпускаются в стандартных корпусах SOIC, TSOP или DFN. Они успешно заменяют микросхемы Flash-и EEPROM-памяти с последовательным интерфейсом емкостью 512 кбит и 1 Мбит и находят применение в системах промышленной автоматизации, измерительных, медицинских, военных, игровых и компьютерных приложениях и т. д.
Микросхема FM23MLD16 (8 Мбит)
Одна из последних разработок компании Ramtron — микросхема FM23MLD16 (рис. 2), которая представляет собой FRAM с параллельным интерфейсом и объемом 8 Мбит (1 Мбайт).
Новая микросхема является альтернативой SRAM-памяти (в конфигурации 512 Кх16) и отлично подходит для таких приложений, как робототехника, RAID-контроллеры, многофункциональные принтеры, автомобильные навигационные системы и др., так как не требует батарейного питания для хранения данных.
Основные параметры:
• Объем памяти: 8 Мбит (512 Кх16 или 1 Мх8).
• Число циклов перезаписи: 1014.
• Напряжение питания: 2,7-3,6 В.
• Время доступа к памяти: 60 нс.
• Параллельный интерфейс.
Рис. 2. Микросхема FM23MLD16
• Монитор низкого уровня питания для защиты данных.
• Ток потребления: в рабочем режиме 14 мА, в режиме ожидания — не более 540 мкА.
• Рабочий диапазон температур: -40.. .+85 °С.
• Корпус: FBGA-48.
FRAM в современных бытовых счетчиках
Современные интеллектуальные счетчики работают с двухсторонней связью, позволяя потребителям в режиме реального времени наблюдать и оценивать стоимость потраченной энергии. Счетчик поможет быстро провести оценку сэкономленной энергии при выключении ненужных электроприборов или понижении обогрева терморегулятором.
Система дистанционного съема данных (AMR) позволяет собирать информацию об энергопотреблении и передавать ее посредством различных коммуникаций, к которым относятся телефония, радиосвязь, спутниковые коммуникации и передача данных по электросети. Полученные данные позволяют рационально управлять эффективностью работы устройств и улучшить их эксплуатационные возможности. Например, эффективные коммунальные предприятия поощряют низкое потребление энергии в часы пик с помощью гибкой тарифной сетки, а также снижения цены на потребляемую энергию в более «тихие» часы.
Сегодня разработчики бытовых счетчиков и систем сбора данных сталкиваются с комплексными задачами, при этом растет потребность в управлении сложными системами распределения. FRAM компании Ramtron является идеальной энергонезависимой памятью для современных измерительных приборов, которые требуют надежной работы, быстродействия и возможности хранения данных при отсутствии внешнего источника питания. Использование этого типа памяти в системах сбора данных потребления воды, газа и электричества дает следующие преимущества:
• Быстродействие. Позволяет обойтись без канала отложенных записей, которые требуются при отключении питания.
• Практически неограниченное число циклов перезаписи (до 1016 циклов). FRAM сохраняет отличную работоспособность
по сравнению с другими технологиями, которые быстро изнашиваются после 100 000 циклов перезаписи.
• Работа в режиме низкой мощности. Работа без постоянной батарейной поддержки, которая требуется памяти типа SRAM.
По сравнению с памятью типа EEPROM, которая при чтении разбивается на страницы, чтение и запись у FRAM происходит со скоростью шины и занимает не более 70 нс. Такая скоростная работа необходима в первую очередь при внезапном отключении питания. Счетчики с EEPROM дают погрешность при аварийной записи данных. Накопление таких погрешностей в результате ведет к серьезным финансовым потерям коммунального предприятия.
Дешевые простые счетчики широко распространены в развивающихся странах. Здесь работает периодический принцип оплаты, то есть данные снимаются регулярно вручную, и потребитель платит по факту потраченной электроэнергии (воды, газа). Память типа FRAM здесь также идеально подойдет для хранения основных данных: это идентификация счетчика, остаток по кредиту потребителя, текущие данные.
FRAM в бесконтактных платежных системах
Бесконтактные смарт-карты широко распространены по всему миру, наиболее они популярны в азиатских странах. Главные преимущества такой системы оплаты — удобство и скорость работы. Имея смарт-карту, не нужно компостировать билет или проводить карточку через считыватель. В системах, где используется метод радиочастотной идентификации (RFID), контакт со смарт-картой происходит, когда она находится в сумке пользователя. В связи с этим авторизация в общественном транспорте происходит заметно чаще, чем при устаревших способах оплаты.
Кроме того, бесконтактный способ расчетов имеет еще одно важное преимущество перед оплатой наличными. Это высокая производительность, в результате чего отпадает потребность в дополнительном персонале и отсутствует такое понятие, как очередь. Исследования показали, что применение бесконтактных платежных карт может уменьшить время транзакции на 64% по сравнению с другими видами платежа.
В данном случае FRAM является подходящим решением для бесконтактных систем оплаты. Благодаря своей долговечности и энергонезависимости, такой тип памяти не нуждается в поддержке и повышает уровень надежности всей системы, поэтому отлично подходит для необслуживаемых терминалов (торговые автоматы, платежные стенды, парковочные счетчики и др.).
Очень важным параметром для RFID-технологии является низкое потребление ми-
'test/to
кросхем FRAM. В процессе работы этой системы излучаемая в поле энергия уменьшается с увеличением расстояния. Бесконтактная карточка (или брелок) должна попасть в область поля, чтобы индуцировать достаточно энергии для передачи записанного кода. Применение FRAM вместо других типов памяти способствует повышению дальности действия поля и снижению времени реакции в нем. Потребление этих микросхем в рабочем режиме не превышает 15 мА, а в спящем режиме — не более 15 мкА.
FRAM в игровых автоматах
Для привлечения внимания игроков казино к аркадным играм и игровым автоматам требуются очень надежные компьютеры с наилучшим качеством изображения дисплея и профессиональными мультимедиаэффектами. Также применяются устройства с сенсорным управлением, которые часто можно встретить у большинства игровых автоматов в барах, казино и парках отдыха. Для наиболее зрелищных автоматов требуется максимально надежное оборудование.
Основной проектируемой электронной составляющей игровых казино-автоматов является однослотовый Single Board Computer (SBC), который должен иметь компактные габариты и низкое потребление энергии. Микросхемы FRAM-памяти с параллельным интерфейсом идеально подойдут для SBC благодаря своей миниатюрности и низкому энергопотреблению.
Для надежного хранения данных при использовании SRAM-памяти дополнительно требуется элемент питания. Если SBC при-
ходится запрашивать группы блоков SRAM-памяти, то для каждой такой группы требуется отдельная батарейка. Энергонезависимая FRAM не нуждается в дополнительном питании, и за счет этого удается сократить стоимость системы и повысить ее надежность.
FRAM также идеально подойдет для работы со стандартом кодирования данных (DES) в качестве устройства хранения уникальных и пользовательских кодов, а также недоступных кодов, таких как RSA, SHA-1 или MD-5.
Компания Ramtron для использования в игровой индустрии также предлагает микросхемы семейства Processor Companion с FRAM-памятью и часами реального времени/календаря (RTC = Real-Time Clock) на борту. С их помощью можно осуществлять контроль азарта (gambling control), который требуется в современных игровых казино-автоматах. Такой контроль нужен для сдерживания игровой зависимости. Вот несколько инструментов для осуществления такой функции в популярных игровых видеоавтоматах:
• Постоянный показ текущего времени на экране.
• Всплывающие уведомления о проведенном времени за текущей игрой.
• Обязательный периодический показ остатка денег для игры.
• Обязательный выбор продолжительности игры перед ее началом.
• Ограничение максимального размера ставки.
Одна из микросхем этого семейства — FM3135. Большой ресурс и высокая скорость записи FRAM-памяти в сочетании с RTC делает применение этой микросхемы очень привлекательным в системах, требующих привязки
событий ко времени их возникновения. Блок RTC микросхемы FM3135 включает в себя выходы программируемой частоты и сигнала будильника. Будильник сравнивает устанавливаемое пользователем время выдачи сигнала с текущим значением времени RTC. Для доступа к памяти и управления RTC в микросхеме используется промышленный стандартный двух-проводный интерфейс. Выпускается FM3135 в 20-выводном корпусе SOIC. Микросхема работает в диапазоне питающих напряжений от 2,7 до 3,6 В во всем промышленном диапазоне температур (-40.. .+85 °C).
Семейство Processor Companion подходит для очень широкого спектра применений. С учетом ключевых преимуществ FRAM — малые габариты, однокристальное сочетание общесистемных функций и невысокая стоимость — областями его наиболее эффективного применения являются игровые автоматы, носимые или удаленные сетевые терминалы сбора данных, регистраторы, расходомеры, весы-дозаторы, счетчики электроэнергии и другие приборы, общие свойства которых — критичное отношение к энергопотреблению, габаритам, удельной стоимости и надежности работы.
Заключение
Применение FRAM-памяти в различных электронных устройствах предоставляет много преимуществ, которые являются следствием особенностей самой памяти, обеспечивающей большую скорость и надежность работы, огромное количество циклов перезаписи, а также возможность использования FRAM в качестве ПЗУ, ОЗУ или комбинации ОЗУ-ПЗУ. В
