雖然EEPROM和閃存通常是大多數應用中非易失性存儲器（NVM）的首選，但鐵電RAM（FRAM）為能量收集應用中的許多低功耗設計（如無線傳感器節點）提供了明顯的優勢。智能電表和其他數據記錄設計。憑借其延長的寫周期耐久性和數據保留時間，FRAM技術可幫助設計人員滿足使用可用FRAM IC和基于FRAM的MCU的十年，低功耗NVM操作的要求，這些MCU來自賽普拉斯半導體，富士通半導體，ROHM Semiconductor等制造商和德州儀器。

傳統的NVM，如閃存和EEPROM，以浮動柵極中的電荷載流子的形式存儲數據，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電壓。因此，隨著這些器件固有的長寫延遲和高功耗，它們的高壓寫操作最終會耗盡單元 - 有時只需10,000個寫周期。

FRAM優勢

相比之下，鐵電RAM（FRAM）通過鐵電材料鋯鈦酸鉛或PZT（Pb（ZrTi）O3）的極化來存儲數據，在兩個電極之間放置薄膜，類似于電容器的結構。與DRAM一樣，FRAM陣列中的每個位都是單獨讀取和寫入的，但是當DRAM使用晶體管和電容來存儲該位時，FRAM在晶體結構中使用偶極移位，用于施加電場引起的相應位穿過電極（圖1）。由于在去除電場后這種極化仍然存在，即使沒有可用功率，FRAM數據也會無限期地持續存在 - 這是由不確定的環境源驅動的設計的重要能力。

圖1：在FRAM單元中，數據存儲為在PZT薄膜上施加電場引起的極化狀態 - 一種方法這樣可以實現更長的數據保留，并消除浮柵技術中的磨損。 （由富士通半導體公司提供）

除了實現FRAM的非易失性外，晶體極化的使用與基于電荷存儲的技術相比具有許多優勢（見表1）。因為它避免了浮柵技術的潛在降級效應，所以FRAM存儲器的壽命及其在功率損耗面前保留數據的能力實際上是無限的。例如，富士通半導體MB85R1001A和ROHM半導體MR48V256A等FRAM存儲器件均具有10年的數據保持性能。

FRAM EEPROM FLASH SRAM存儲器類型非易失性非易失性非易失性易失性寫入方法覆蓋擦除+寫入擦除+寫入覆蓋寫入周期時間150 ns 5 ms10μs55ns讀取/寫入周期10 13 10 6 10 5 無限制助推器電路否是是否數據備份電池否否否是

表1：FRAM與其他存儲器技術的比較。 （由Fujitsu Semiconductor提供）

通過消除對浮柵存儲器技術所需的電荷泵的需求，FRAM可以在3.3 V或更低的典型電源范圍內工作。此外，與存儲電荷存儲器設備不同，FRAM器件耐α粒子并且通常表現出低于可檢測極限的軟錯誤率（SER）。

設計影響

FRAM優勢的影響源于需要高速寫入和低功耗操作相結合的系統設計，例如無線傳感器節點。例如，由于其高速率，設計人員可以使用單個FRAM器件，他們可能需要并聯排列多個EEPROM器件以實現可接受的數據寫入吞吐率。在那些EEPROM設計中，當一個EEPROM器件完成其寫周期時，控制器將依次啟動對下一個EEPROM器件的寫操作，依此類推。但是，對于FRAM，所有寫操作都是以隨機訪問的速度在總線速度下進行的，沒有基于內存的延遲或其他寫入減速。因此，FRAM內存通常可以在明顯更低的能量要求下實現比Flash快得多的寫入。

設計人員還可以消除對確保數據完整性所需的電源備份策略的需求。對于EEPROM系統，當檢測到電源故障時，存儲器控制器必須完成所需數據塊大小的完整寫入周期 - 需要額外的能量存儲以確保基于EEPROM的設計中的寫周期完成。憑借其快速的周期時間，FRAM即使在突然斷電時也能夠完成寫入過程，從而確保數據完整性，而無需復雜的電源備份方法。

在應用層面，FRAM的快速寫作速度和低功率運行還可以在能量采集應用中實現連續測量，例如無線傳感器或電表。在給定的功率預算下，FRAM器件將能夠以比其他NVM技術更精細的粒度完成更多的讀/寫周期。

FRAM還為開發人員提供統一的內存架構，支持靈活的代碼和數據分區，并允許更簡單，更小的單芯片內存解決方案。同時，設計人員可以使用簡單的寫保護電路輕松保護存儲在FRAM中的代碼免受無意寫入，從而為基于FRAM的設計提供可編程塊寫保護功能（圖2，HC151多路復用器）。

圖2：設計人員可以使用低功耗多路復用器（如HC151）實現簡單的地址相關寫入使能功能，以保護存儲在FRAM器件中的代碼。 （賽普拉斯半導體提供）

器件配置

設計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，除了并行的1Mb MB85R1001A FRAM外，富士通還提供1Mb SPI串行器件MB85RS1MT，使設計人員能夠在典型的SPI主/從配置中采用任意數量的器件（圖3）。除了在比并聯電源更低的電源電壓下工作外，串行FRAM器件還為空間受限的設計提供更小的封裝選擇。例如，ROHM Semiconductor 32K SPI串行MR45V032A采用8引腳塑料小外形封裝（SOP），尺寸僅為0.154“和3.90 mm。

圖3：富士通MB85RS1MT等設備允許對配備SPI的MCU使用熟悉的主/從配置 - 或者使用設備的SI和SO端口的簡單總線連接解決方案，用于非基于SPI的設計。由富士通半導體公司提供）

FRAM技術的優勢擴展到具有片上FRAM的德州儀器MSP430FR MCU系列等MCU。在MCU中，FRAM的高速操作可加快整體處理速度，允許寫入非易失性存儲器以全速運行，而不是強制MCU進入等待狀態或阻塞中斷。 TI的FRAM MCU系列從MSP430FR5739等器件擴展到全功能MSP430FR5969系列。作為MSP430系列中最小的器件，MSP430FR5739采用24引腳2 x 2芯片尺寸球柵陣列（DSBGA），包括5個定時器，12通道10位ADC和直接存儲器訪問（DMA）用于最小化工作模式下的時間。

TI的MSP430FR5969是該公司功耗最低的MCU，具有大量片上FRAM存儲器（圖4）。在工作模式下，MCU僅需要100μA/MHz有效模式電流和450 nA待機模式電流，并啟用實時時鐘（RTC）。該系列中的器件包括一套全面的外設和一個16通道12位模數轉換器（ADC），能夠進行單輸入或差分輸入操作。這些MCU還具有256位高級加密標準（AES）加速器和知識產權（IP）封裝模塊，用于保護關鍵數據。

圖4 ：德州儀器（TI）MSP430FR5969 MCU將完整的外設與片上FRAM存儲相結合，同時僅需要100μA/MHz的有源模式電流，并且其多種低功耗模式（LPM）顯著降低。（德州儀器提供）

結論

FRAM器件提供10年數據保留時間的非易失性存儲器，其功耗僅為熟悉的閃存和EEPROM替代產品所需功耗的一小部分。利用可用的基于FRAM的存儲器和MCU器件，工程師可以將這些強大的器件構建到低功耗能量采集應用中，并且可以自信地運行多年，并在間歇性斷電的情況下保持長期數據。